'物理學史上最糟糕的理論預測'

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1.

1915年,愛因斯坦(Albert Einstein)提出了革命性的引力理論——廣義相對論,將彎曲的時空和宇宙中的物質和能量連接在一起。愛因斯坦的新理論不僅解決了當時牛頓引力理論所無法解釋的問題,還作出了許多可檢驗的新預言。但唯一的問題是,當愛因斯坦將他的新理論應用在整個宇宙的時候,卻遇到了麻煩。

1917年,愛因斯坦向普魯士科學院提交了一篇題為《廣義相對論下的宇宙學思考》的論文。在論文中,為了使宇宙保持靜態,他在方程中引入了所謂的宇宙學常數(用字母“Λ”表示)。這個常數被物理學家視為眼中釘,它的理論預測值與天文觀測值之間的差異高達10¹²¹。因此,這一預測也毫無疑問地成為了整個物理學史上最糟糕的理論預言。

在一篇即將發表在《物理學快報B》上的論文中,瑞士日內瓦大學物理系的助理教授Lucas Lombriser提出了一種新的方法,他對廣義相對論方程進行了一種新的數學處理,運用這種方法似乎可以協調宇宙常數的理論值和觀測值之間的矛盾。

這篇論文最初的一個想法是,在廣義相對論方程中出現的另一個重要常數——牛頓萬有引力常量G),或許也會發生變化。目前,這一想法已經得到了一些物理學家的關注。

2.

自愛因斯坦提出宇宙學常數以來,一個多世紀已經過去了。當時,愛因斯坦需要宇宙學常數來確保他的理論與他所認為的靜態宇宙相容,因為一個隨著時間而演化的宇宙是他所不能接受的。然而在1929年,物理學家哈勃(Edwin Hubble)發現,所有的星系都在相互遠離,這意味著宇宙正在膨脹。得知這一點之後,愛因斯坦對在方程中加入宇宙學常數一事非常後悔,在他看來這是個沒用的常數,甚至把它描述為“我一生中最大的錯誤”。

1998年,天文學家從對遙遠的超新星的精確分析中驚喜地發現了宇宙不但在膨脹,而且還是在加速膨脹,彷彿有一種神祕的力量在使我們的宇宙膨脹得越來越快。為了描述這種被物理學家稱為“真空能量”的事物,宇宙學常數又再次被召喚登場。所謂的“真空能量”是一種有著未知性質的能量,它可以是我們談論的暗能量精質等等,它是宇宙加速膨脹的幕後推手。

通過對超新星、宇宙微波背景等進行高精度的觀測,科學家們可以對宇宙學常數的實驗值進行測量。他們得到的結果是一個非常小的數字,1.11×10⁻⁵² m⁻²,但這已經足以產生預期的加速膨脹效果。

3.

可是問題在於宇宙學常數的理論值與上述的觀測值完全不匹配。理論值是通過量子場論得到的:它認為,在任何時刻,在極小尺度上的粒子對在空間中的每個點上都是瞬間產生和毀滅的,這種“真空漲落”是一種非常真實的現象,它的能量被解釋為對宇宙學常數的貢獻。但當計算這個值時,我們得到了一個巨大的數字,3.83×10⁺⁶⁹ m⁻²,這與實驗值簡直有著天壤之別。而宇宙學常數的理論值和實驗值之間的差異,也代表了迄今為止在科學理論和實驗之間所出現過的最大差距——相差121個數量級

宇宙學常數問題也成了當前理論物理學中最熱門的一個課題,許多從事物理學、天文學研究的科學家都在思考這一難題。每個人都在從所有能想象到的角度研究廣義相對論方程,試圖能挖掘出可以解決這個問題的方法。雖然已經提出了許多可能的解釋,但還是缺乏普遍的共識。

幾年前,Lombriser教授對研究這個問題的新方法產生了一個初步想法,他認為萬有引力常量(在我們所生活的宇宙中,G=6.67408×10⁻¹¹ m³/kg·s²)只是無數不同理論可能性中的一個特例。

經過大量的推演和假設,Lombriser教授的數學方法終於可以計算出參數ΩΛ。ΩΛ是宇宙學常數的另一種表達方式,但要更容易操作。這個參數表示了宇宙中由暗能量組成的部分,Lombriser得到的理論值為70.4%(ΩΛ=0.704),與迄今獲得的最佳實驗觀測值68.5%(ΩΛ=0.685)非常接近。與10¹²¹相比,理論值與觀測值之間的差異得到了巨大的改善。

不過,這一方法雖然獲得了初步的成功,但顯然它還需要經過更進一步的分析驗證,才能判斷Lombriser所提出的新的框架是否能用來重新解釋或闡明宇宙學的奧祕。現在,雖然論文還沒有正式發表,但Lombriser所提出的概念已經受到了科學界的廣泛興趣,他已被邀請在多個科學會議上展示和陳述他的方法。

參考來源:

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

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