物理学史上最糟糕的理论预测



来源 | 原理(ID:principle1687)


1.


1915年,爱因斯坦(Albert Einstein)提出了革命性的引力理论——广义相对论将弯曲的时空和宇宙中的物质和能量连接在一起。爱因斯坦的新理论不仅解决了当时牛顿引力理论所无法解释的问题,还作出了许多可检验的新预言。但唯一的问题是,当爱因斯坦将他的新理论应用在整个宇宙的时候,却遇到了麻烦。

1917年,爱因斯坦向普鲁士科学院提交了一篇题为《广义相对论下的宇宙学思考》的论文。在论文中,为了使宇宙保持静态,他在方程中引入了所谓的宇宙学常数(用字母“Λ”表示。这个常数被物理学家视为眼中钉,它的理论预测值与天文观测值之间的差异高达10¹²¹。因此,这一预测也毫无疑问地成为了整个物理学史上最糟糕的理论预言。


在一篇即将发表在《物理学快报B》上的论文中,瑞士日内瓦大学物理系的助理教授Lucas Lombriser提出了一种新的方法,他对广义相对论方程进行了一种新的数学处理,运用这种方法似乎可以协调宇宙常数的理论值和观测值之间的矛盾。


这篇论文最初的一个想法是,在广义相对论方程中出现的另一个重要常数——牛顿万有引力常量G许也会发生变化。目前,这一想法已经得到了一些物理学家的关注。

2.


自爱因斯坦提出宇宙学常数以来,一个多世纪已经过去了。当时,爱因斯坦需要宇宙学常数来确保他的理论与他所认为的静态宇宙相容,因为一个随着时间而演化的宇宙是他所不能接受的。然而在1929年,物理学家哈勃(Edwin Hubble)发现,所有的星系都在相互远离,这意味着宇宙正在膨胀。得知这一点之后,爱因斯坦对在方程中加入宇宙学常数一事非常后悔,在他看来这是个没用的常数,甚至把它描述为“我一生中最大的错误”。


1998年,天文学家从对遥远的超新星的精确分析中惊喜地发现了宇宙不但在膨胀,而且还是在加速膨,仿佛有一种神秘的力量在使我们的宇宙膨胀得越来越快。为了描述这种被物理学家称为“真空能量”的事物,宇宙学常数又再次被召唤登场。所谓的“真空能量”是一种有着未知性质的能量,它可以是我们谈论的暗能量精质等等,它是宇宙加速膨胀的幕后推手。


通过对超新星、宇宙微波背景等进行高精度的观测,科学家们可以对宇宙学常数的实验值进行测量。他们得到的结果是一个非常小的数字,1.11×10⁻⁵² m⁻²,但这已经足以产生预期的加速膨胀效果。


3.


可是问题在于宇宙学常数的理论值与上述的观测值完全不匹配。理论值是通过量子场论得到的:它认为,在任何时刻,在极小尺度上的粒子对在空间中的每个点上都是瞬间产生和毁灭的,这种“真空涨落”是一种非常真实的现象,它的能量被解释为对宇宙学常数的贡献。但当计算这个值时,我们得到了一个巨大的数字,3.83×10⁺⁶⁹ m⁻²,这与实验值简直有着天壤之别。而宇宙学常数的理论值和实验值之间的差异,也代表了迄今为止在科学理论和实验之间所出现过的最大差距——相差121个数量级


宇宙学常数问题也成了当前理论物理学中最热门的一个课题,许多从事物理学、天文学研究的科学家都在思考这一难题。每个人都在从所有能想象到的角度研究广义相对论方程,试图能挖掘出可以解决这个问题的方法。虽然已经提出了许多可能的解释,但还是缺乏普遍的共识。


几年前,Lombriser教授对研究这个问题的新方法产生了一个初步想法,他认为万有引力常量(在我们所生活的宇宙中,G=6.67408×10⁻¹¹ m³/kg·s²)只是无数不同理论可能性中的一个特例。


经过大量的推演和假设,Lombriser教授的数学方法终于可以计算出参数ΩΛΩΛ是宇宙学常数的另一种表达方式,但要更容易操作。这个参数表示了宇宙中由暗能量组成的部分,Lombriser得到的理论值为70.4%ΩΛ=0.704,与迄今获得的最佳实验观测值68.5%ΩΛ=0.685非常接近。与10¹²¹相比,理论值与观测值之间的差异得到了巨大的改善。


不过,这一方法虽然获得了初步的成功,但显然它还需要经过更进一步的分析验证,才能判断Lombriser所提出的新的框架是否能用来重新解释或阐明宇宙学的奥秘。现在,虽然论文还没有正式发表,但Lombriser所提出的概念已经受到了科学界的广泛兴趣,他已被邀请在多个科学会议上展示和陈述他的方法。


参考来源:

https://www.unige.ch/communication/communiques/en/2019/cosmologie-une-solution-a-la-pire-prediction-en-physique/


本文转载自公众号“原理”(ID:principle1687)



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