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专家之声

物理学家试图统一自然界的所有力量并纠正爱因斯坦的最大失败

字符串理论的抽象概念。
(图片:©PASIEKA via Getty Images)

在他衰落的岁月中, 艾尔伯特爱因斯坦 他花时间在风车上倾斜,试图统一所有自然力量。他失望地死了,他的尝试将成为他最大的失败,载入史册。 

但是,随着一小组理论物理学家对他的旧观念进行改造,爱因斯坦的失败梦想最终将成为他的最终胜利。它不一定将宇宙的所有力量整合在一起,但可以解释现代科学面临的一些最紧迫的问题。

爱因斯坦还不够

最成功的理论 重力 爱因斯坦著名的广义相对论是人类所熟知的。爱因斯坦花了七年多的时间开发它,值得等待。表面上,广义相对论看似简单。宇宙的所有戏剧都发生在一个宏伟的三维舞台上 时空。物质与能量—宇宙的演员—跑来跑去做他们的事情,说出自己的台词。物质和能量会使时空变形,从而使其弯曲和弯曲。这种扭曲反过来告诉物质和能量如何运动和表现。

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瞧,广义相对论!时空阶段与物质和能量之间不断进行的对话被我们称为重力。

爱因斯坦的理论已经通过了对它的所有观察检验,这就是为什么它自诞生以来已经存在了一个世纪之久。它已经预测并解释了整个宇宙中的奇怪现象,包括围绕大型物体的光的弯曲和黑洞的形成。

但是,我们知道它已经坏了。广义相对论说应该存在黑洞,但是当它试图描述它们的奇异心时,黑洞就彻底崩溃了。在量子力学占据主导地位的亚原子尺度上,我们没有重力的描述。在这样的规模下,当引力既变强又变短时,广义相对论甚至无法做出预测-数学只是崩溃了。

在那些地方,我们知道广义相对论崩溃了。但是除此之外,天文学家注意到了两种相对论还不能完全解释的现象:宇宙中的大多数物质(所谓的 暗物质)不与光相互作用;宇宙的膨胀每天都在加速(这被认为是由迄今未知的暗能量造成的)。为了解释暗物质和暗能量,我们有两种选择。广义相对论是完全正确的,但是我们的宇宙充满了奇怪的新物质,或者广义相对论是完全错误的。

扭转

爱因斯坦本人试图超越广义相对论的极限。但是他并没有被黑洞奇异之谜或宇宙加速所吸引—没有人知道那些存在,更不用说是重大的理论挑战。

相反,爱因斯坦有一个更高的目的:将所有(已知的)物理定律统一在一个数学框架中。就他而言,他的一侧具有引力,以他现在著名的广义相对论为代表,并且 电磁学 另一方面,用麦克斯韦方程式描述 磁铁 和电流来照亮自己。

为了使所有事物成为超理论,爱因斯坦引入了广义相对论2.0。相对论的基本版本只关心时空的曲率。但是爱因斯坦的重启也引起了人们对时空的扭曲或扭曲的关注。无需在他的原始理论中包括扭转,因为事实证明,您所需要的只是曲率来解释重力。但是现在爱因斯坦试图解释的不仅仅是重力,他还必须包括其他影响。

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爱因斯坦曾希望,时空的扭曲会以某种方式与电磁有关(就像时空的曲率与引力有关),可惜,他找不到任何解决办法,他的新理论也随之消失了。

但是其他物理学家从未放弃梦想,从那时起,他们一直在尝试统一物理学。最发达的概念之一被称为 弦理论,它声称所有粒子都是很小的小振动弦。哦,我们的宇宙有很小的而且卷曲的额外空间尺寸。 

弦理论从来没有以爱因斯坦关于时空扭曲的原始思想为基础,但是现在物理学家正在提出这个古老的思想,即远距平行引力。 

并行工作

“平行平行”这个名称来自爱因斯坦的原创作品,该作品在他的几何框架中研究了遥远平行线的性质,探索时空的曲率和扭曲如何影响物质和能量的运动。如今,物理学家认为远平行引力不能统一物理学(甚至爱因斯坦本人最终也放弃了这一想法),但它可能是新引力理论的有趣候选者。

那是因为理论家一直在使用远平行重力来解释诸如宇宙加速膨胀之类的事情,这是在宇宙加速之后的早期。 大Bang 当宇宙膨胀时,被称为“通货膨胀”,以及最近的问题,例如观察到的宇宙膨胀率的不同度量之间的冲突。换句话说,远平行重力已被证明具有很好的预测性。

但是那些统一理论的早期梦想呢?远平行引力可能是一种有趣且有用的引力新方法,但它并没有使我们更加了解物理的基本定律。相反,物理学家一直使用弦理论的语言来完成这项工作,所以自然而然地出现了一个问题:弦理论是否—声称是一切的终极理论—以任何方式连接到远心重力吗?换句话说,如果远平行重力可以潜在地解决所有这些令人讨厌的问题,例如暗物质和暗能量,那么它是弦理论的自然结果吗?还是这两条相互独立的线没有联系?

最近,理论理论家已经开始将远平行重力与弦理论联系起来,为弦宇宙中的该理论提供了动力,正如预印本杂志上发表的一篇论文所报道的那样 arXiv 十一月。在他们的工作中,他们演示了弦平行理论如何导致远平行重力。这是一个重要的见解,因为弦理论应该能够解释所有物理定律,并且如果远平行重力是广义相对论的更好版本,并且最终证明是正确的,那么您应该能够从数学中得出远平行弦理论。

这是一个比喻。假设警察在犯罪现场发现了谋杀武器(相对论)。他们有一个主要的嫌疑人(弦论)想与谋杀武器联系起来。但是对犯罪现场的新分析表明,实际上是另一种武器(平行平行)导致了谋杀案。主要嫌疑人还能与新的谋杀武器联系吗?

简短的答案是:是的。 

还有很多工作要做。弦理论还没有结束(如果我们从不提出可靠的数学解决方案,那么它可能永远也不会结束),因此它可以与现实建立任何联系。如果远平行重力被证明是一种解释广义相对论当前缺陷的有用方法,并且我们可以从弦论中推导出远平行,那么这是实现爱因斯坦最终实现统一梦想的又一步—不是他设想的方式,但仍然很重要。

最初发表在《世界科学》上。