新理论检验我们对自然界最基本力量的理解

没有人真正完全理解引力。牛顿观察到物体即使相距很远似乎也会相互吸引,并由此推导出了一条数学公式,能够以惊人的精度预测行星的运动。爱因斯坦通过提出大质量物体通过弯曲周围空间来吸引较小物体(就像一个保龄球压弯蹦床的表面,导致弹珠滚向它一样)的观点,进一步完善了这一定义,并基于这一洞见构建了他的广义相对论,该理论被证明更加优雅且更具预测性。

Erik P. Verlinde

但并不完美。爱因斯坦的理论认为,宇宙正在膨胀,以至于每个物体都在远离其他所有物体,这一点已得到哈勃太空望远镜观测的证实。然而,要使这个理论成立,就需要一个更为复杂的结论:如果一切都在向前发展的同时相互分离,那么在某个时刻,宇宙中的一切都必须聚集在一个点上。

近一个世纪以来,这个难题一直困扰着理论物理学家。爱因斯坦从他的广义理论中构建了几条特定的数学公式,这些公式在描述几乎所有事物方面都得到了准确的验证——除了宇宙本身的起源。当数学家反推该理论以重构大爆炸之前的宇宙时,数学会产生一个无限小且无限密集的“奇点”。“物理学家不喜欢无穷大的数字,因为它们意味着一个不太物理的解决方案,”印第安纳大学引力理论家 Nikodem Poplawski 说。但今年夏天,两位物理学家可能已经找到了如何为爱因斯坦的宇宙带来秩序的方法。

牛津大学

牛津大学的天体物理学家 Maximo Bañados 和 Pedro Ferreira 用描述电磁学的修改后的 Born-Infeld 作用替换了爱因斯坦-希尔伯特作用(广义相对论所有其他方程都从中推导出来)。在 Born-Infeld 条件下,Ferreira 和 Bañados 能够复制正常情况下的爱因斯坦引力,并且与科学家们观测到的关于宇宙起源的条件也一致。

根据 Ferreira 和 Bañados 的说法,引力不足以将宇宙的质量压缩成一个无限密集的点,但他们对引力设定的限制表明,它可能将宇宙压缩成了一个极小的球体。

那个球体可能并非从一个点中涌现,而是持续过程中最密集的部分,在这个过程中,一个先前的宇宙在其自身中崩溃,达到了密度的极限后“反弹”,然后再次膨胀,成为我们现在的宇宙。或者,宇宙在最初生长后,可能暂停了一段时间,然后才像今天这样膨胀。Ferreira 表示,未来对早期宇宙残留引力波的分析可能会证实这项工作。“爱因斯坦的理论更简单,”他承认。“但有时候最简单的想法并非最好的。”

“这是朝着改善我们对引力理解迈出的重要一步,”Poplawski 说。但就目前而言,该理论的成熟度不如爱因斯坦引力的其他替代方案。还有高维引力、具有额外曲率项的引力,以及与‘变色龙场’耦合的引力(该场使得引力在物质附近与真空中强度不同)。近年来如此多理论的出现,可能预示着该领域即将取得突破。事实上,阿姆斯特丹大学的 Erik Verlinde 认为,引力根本不是一种力,而是一种“涌现条件”。他在七月份接受《纽约时报》采访时表示:“对我来说,引力并不存在。”

 

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