廣義相對論的理解

1、11、廣義相對論的幾個(gè)疑難問題1、暗物質(zhì)的本質(zhì)：現(xiàn)代宇宙學(xué)觀測表明宇宙中存在暗物質(zhì)和暗 能量。但是它們的起源仍然是個(gè)謎。我們能找到的普通物質(zhì)僅占整個(gè) 宇宙的4%，各種測算方法都證實(shí)，宇宙的大部分是不可見的。要說 宇宙中僅僅就是暗色塵云和死星體是很容易的，但已發(fā)現(xiàn)的有力證據(jù) 說明，事實(shí)并非如此。正是對宇宙中未知物質(zhì)的尋找，使宇宙學(xué)家和 粒子物理學(xué)家開始合作，最有可能的暗物質(zhì)成分是中微子或其它兩種粒子：neutralino和axions （軸子），但這僅是物理學(xué)的理論推測， 并未探測到，據(jù)認(rèn)為，這三種粒子都不帶電，因此無法吸收或反射光, 但其性質(zhì)穩(wěn)定，所以能從創(chuàng)世大爆炸后的最初階段幸存下來。天文學(xué)

2、家已經(jīng)證明：宇宙中的天體從比我們銀河系小100萬倍 的星系到最大星系團(tuán)，都是由一種物質(zhì)形式所維系在一起的，這 種物質(zhì)既不是構(gòu)成我們銀河系的那種物質(zhì)，也不發(fā)光。這種物質(zhì) 可能包括一個(gè)或更多尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子組成，該物質(zhì)的聚集產(chǎn) 生導(dǎo)致宇宙中星系和大尺寸結(jié)構(gòu)形成的萬有引力。同時(shí)，這些粒 子可能穿過地面實(shí)驗(yàn)室。美國能源部LANL實(shí)驗(yàn)室的液體閃爍體中微子探測器、加拿大 Sudbury中微子觀測站和日本超級神岡加速器實(shí)驗(yàn)的最新結(jié)果給出 有力的證據(jù)：中微子以各種形式“振蕩”，因此必定會(huì)具有質(zhì)量。 雖然質(zhì)量很小，但宇宙中大量的中微子加起來可使總的質(zhì)量達(dá)到相 當(dāng)高。美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室新的加速器實(shí)驗(yàn)MiniBo

3、oNE和MINOS將 研究中微子震蕩和中微子質(zhì)量。尚未發(fā)現(xiàn)的其它粒子有可能存在，例如一種稱為超對稱的新對稱 理論預(yù)言有一種大的新類型的粒子，其中有些可解釋暗物質(zhì)?，F(xiàn)正 在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室TeV能級加速器進(jìn)行的和計(jì)劃在CERN正建造的大型強(qiáng) 子對撞機(jī)（LHC）上開展的實(shí)驗(yàn)，以及地下低溫暗物質(zhì)尋找和空間利 用伽馬射線大面積天體望遠(yuǎn)鏡所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，目的都是要尋找超對 稱粒子。阿爾法磁譜儀（AMS）安裝在國際空間站上，尋找反物質(zhì)星系和帶有我們星系多數(shù)質(zhì)量的神秘暗物質(zhì)的任何證據(jù)。該項(xiàng)目由MIT 丁肇 中領(lǐng)導(dǎo)，國際上（包括中國）廣泛參加。暗能量的本質(zhì)。宇宙學(xué)最近的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)證實(shí)，普通物質(zhì)和暗物 質(zhì)還不足以解釋宇宙

4、的結(jié)構(gòu)，還有第三種成分，它不是物質(zhì)而是某種 形式的暗能量。這種神秘成分存在的第一個(gè)證據(jù)，來源于對宇宙構(gòu)造的測量， 愛因斯坦認(rèn)為，所有物質(zhì)都會(huì)改變它周圍時(shí)空的形狀。因此，宇宙的 總體形狀由其中的總質(zhì)量和能量決定。最近對大爆炸剩余能量的研究 顯示，宇宙有著最為簡單的形狀一是扁平的，這也反過來提示了宇宙 的總質(zhì)量密度。但天文學(xué)家在將所有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的可能來源加 起來之后發(fā)現(xiàn)，宇宙的質(zhì)量密度仍少了 2/3。第二個(gè)證據(jù)表明該成分一定是能量。對遙遠(yuǎn)超新星的觀測顯示， 宇宙擴(kuò)張速度并不像科學(xué)家設(shè)想的那么慢；事實(shí)上，擴(kuò)張速度正在 加快，宇宙的加速很難解釋，除非有一股普遍的推動(dòng)力持續(xù)將時(shí)空 結(jié)構(gòu)向外推。最近

5、的實(shí)驗(yàn)表明，宇宙膨脹正在加速而不是放慢。這 一結(jié)論有悖引力具有吸引力的基本概念。如果這些測量成立，就能 量的物質(zhì)形式存在，它的引力具有排斥性而不是吸引性。對膨脹率 的詳細(xì)測量有助于對提出的各種解釋暗能量的理論模型加以區(qū)別。 美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目的研究人 員，利用從觀測1a型超新星得到的數(shù)據(jù)直接觀測宇宙的加速膨脹。 要研究這種類型的超新星，必須觀測大量的星系，因?yàn)槊?00年每 個(gè)星系才只有唯一的一種類型的超新星。這個(gè)合作組使用智利天體 望遠(yuǎn)鏡、Keck天體望遠(yuǎn)鏡和哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測和收集1a型超新星的數(shù) 據(jù)。 到目前為止，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡僅對25個(gè)超新星進(jìn)行了深入研

6、究。2003年1月，被稱為“超新星工廠”開始利用近地星形描跡天 體望遠(yuǎn)鏡（GLAST）觀測Haleakala和Palomarl和II，每隔4夜獲 得1a型超新星一個(gè)接近峰值亮度。這些觀測每夜產(chǎn)生50千兆字節(jié) 的數(shù)據(jù)，由美國國家能源研究計(jì)算中心（NERSC）的超級計(jì)算機(jī)和法 國超新星觀測組合作進(jìn)行處理。NERSC超級計(jì)算機(jī)可產(chǎn)生模擬，支 持其他數(shù)據(jù)收集方法。通過超新星爆發(fā)中的中等大小的星，這些方 法可直接對從原始星到超新星爆發(fā)后核心的核合成進(jìn)行測量。NERSC超級計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的模擬也可用于LBNL超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目 組領(lǐng)導(dǎo)的超新星加速探測衛(wèi)星和高-Z超新星尋找組進(jìn)宇宙加速膨脹 的研究。恒星、行星的形

7、成：天體的形成是天體物理學(xué)中的重要問題。適 合生物存在的行星，在銀河系中出現(xiàn)的幾率到底是多少？廣義相對論：廣義相對論在所有尺度上都是正確的嗎？標(biāo)準(zhǔn)模型：粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型無疑極為成功，但人們并沒有 理解夸克和輕子的質(zhì)量混合的物理起源和中微子的質(zhì)量等。時(shí)空的觀念:時(shí)空是什么？超弦理論最終可能會(huì)放棄時(shí)間和 空間這兩個(gè)概念。7、相對論中的孿生子佯謬、不同時(shí)空之間的對鐘難題該如何解 決？牛頓的絕對時(shí)間和空間與愛因斯坦的相對時(shí)間和空間之間存在 什么關(guān)系？光線在萬有引力場作用下的彎曲現(xiàn)象，應(yīng)理解為光子的 運(yùn)動(dòng)軌道彎曲呢？還是所謂的空間彎曲？8、是否存在額外的時(shí)空維度？對重力真正性質(zhì)的研究也會(huì)帶來這樣的疑問：

8、空間是否不僅僅 限于我們能輕易觀察到的四維，要確定這一點(diǎn)，我們可能首先要懷疑 自然是否是自相矛盾的：我們是否應(yīng)該接受這樣的觀點(diǎn)，即有兩種力 作用于兩個(gè)不同的層面一重力作用于星系這個(gè)大層面，而其它三種 力作用于原子的微小世界？統(tǒng)一場論會(huì)說這是一派胡言一肯定有 一種方法將原子層面的三種力量與重力連接起來。這就將我們引向了 一些線性理論學(xué)家對重力的解釋，其中就包括其它維的空間，開始的 宇宙線性理論模型將重力和其它三種力在復(fù)雜的11維宙中結(jié)合起 來，在那個(gè)宇宙也就是我們宇宙中一其中的7維隱藏在超乎想象的微小空間中，以至于我們無法覺察到，弄懂這些多維空間的一個(gè) 辦法是，想象一個(gè)蛛網(wǎng)的一根絲，用裸眼來看，

9、這根細(xì)絲只是一維的， 但在高倍放大鏡下，它就分解成了一個(gè)有相當(dāng)寬度、廣度和深度的物 體，線性理論學(xué)家說，我們之所以看不見其它維的空間，只是因?yàn)槿?少能將它們分解的精密儀器。我們可能永遠(yuǎn)無法直接看到這些多維空 間，但有了天文學(xué)家和粒子物理學(xué)家的儀器，也許可以找到它們存在 的證據(jù)。在試圖引申愛因斯坦理論和了解引力的量子性質(zhì)時(shí)，粒子物 理學(xué)家們假設(shè)存在著超出已知四維時(shí)空的高維時(shí)空。它們的存在對宇 宙的誕生和演化具有隱含，可能會(huì)影響基本粒子的相互作用，并改變 近距離時(shí)的引力。高能與核物理在弦理論方面的研究表明有額外維。TeV能級加速 器和其他對撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)，通過尋找兩個(gè)加速的粒子（如TeV能級加 速器的

10、質(zhì)子與反質(zhì)子）在對撞中產(chǎn)生粒子時(shí)丟失的能量，來尋找額 外維。9、什么是引力？在愛因斯坦改進(jìn)牛頓的理論時(shí)，他擴(kuò)展了重力的概念，將巨大 的重力場和以接近光速運(yùn)動(dòng)的物體都計(jì)算在內(nèi)，這一擴(kuò)展形成了著名 的相對論和時(shí)空理論，但愛因斯坦的理論沒有涉及極小領(lǐng)域的量子力 學(xué)，因?yàn)橹亓υ诤苄》秶鷥?nèi)可以忽略不計(jì)，而且還沒有人對個(gè)別少量 的重力進(jìn)行過試驗(yàn)性的觀察。然而，自然界也有重力被壓迫在小物體之內(nèi)的極端情況，比如說， 在靠近黑洞中央的地方，大量物質(zhì)被擠在量子大小的空間里，重力 就在很小的距離內(nèi)變得非常強(qiáng)，大爆炸時(shí)期混沌的初始宇宙中一定 就是這種情況。黑洞在宇宙中普遍存在，可以探討它們的巨大引力。 早期宇宙中的強(qiáng)

11、引力效應(yīng)具有客觀測到的重要性。愛因斯坦理論也 應(yīng)適用于這些情況，正像它適用于太陽系一樣。完整的引力理論應(yīng) 該包括量子效應(yīng)一愛因斯坦引力理論不包括一或不解釋為什么它們 不相關(guān)。高能和核物理理論學(xué)家研究弦理論和額外維空間的可能性，有 助于解釋引力的量子方面。像在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（左圖）TeV能級加速器 和CERN的LHC上開展的實(shí)驗(yàn)將能夠在未來幾年內(nèi)對一些這樣的思想 進(jìn)行檢驗(yàn)。弦理論已經(jīng)導(dǎo)致對黑洞的熵進(jìn)行計(jì)算。10、中微子有質(zhì)量嗎，它們?nèi)绾斡绊懹钪娴难莼?？宇宙學(xué)告訴我們，當(dāng)今宇宙中一定存在著大量的中微子。物理 學(xué)家們最近發(fā)現(xiàn)越來越多的證據(jù)，表明它們具有小質(zhì)量。甚至可能 有超越現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)模型3個(gè)以外更多類型

12、的中微子。加拿大Sudbury中微子觀測站（SNO）發(fā)布的第一批結(jié)果和日本 超級神岡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對丟失的太陽中微子進(jìn)行的證據(jù)越來越多。 這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均系國際合作，得到美國能源部的大力支持。稱為MINOS的長基線實(shí)驗(yàn)，利用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中微子主注入器工程 建造的設(shè)備，尋找具有極小質(zhì)量的中微子存在的證據(jù)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 新的主注入器作為MINOS實(shí)驗(yàn)的中微子源，實(shí)驗(yàn)的長基線從這里開 始，探測器放在735公里之外的明尼蘇達(dá)州北部原Soudan鐵礦里。 （Soudan礦中現(xiàn)有1000噸探測器）參加MINOS實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們對從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室出來的中微子和到 達(dá)Soudan鐵礦中的探測器的中微子的特性進(jìn)行測量和比較。這

13、兩個(gè) 探測器中中微子相互作用的特點(diǎn)之別提供不同類型的中微子振蕩的 證據(jù)，因此得出中微子質(zhì)量。1995年美國LANL的液體閃爍器中微子探測器（LSND）發(fā)現(xiàn)了 謬子中微子變成電子中微子的證據(jù)。費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室有一臺探測器 稱為MiniBooNE，用來研究這一現(xiàn)象。因?yàn)楦鼜?qiáng)的中微子束流，它比 LSND獲得更多的數(shù)據(jù)。MiniBooNE的中微子束流由比LSND束流短約 10000倍強(qiáng)脈沖組成。這大大提高了實(shí)驗(yàn)將來自自然產(chǎn)生宇宙線相互 作用的束流感應(yīng)中微子事例分開的能力?，F(xiàn)行的理論假設(shè)中微子根本就沒有質(zhì)量。中微子具有質(zhì)量要求對 理論進(jìn)行修改，它起碼有助于解釋構(gòu)成90%以上宇宙的暗物質(zhì)。中 微子質(zhì)量以及其

14、他所有輕子和夸克的來源，被認(rèn)為是由因黑格斯玻色 子傳遞的“黑格斯潮引起的獨(dú)特相互作用。這個(gè)玻色子是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 TeV能級加速器大力尋找的目標(biāo)。如果找不到，可能會(huì)在CERN的LHC 上找到。能形成重元素的核反應(yīng)也能形成大量奇異的亞原子群，即中 微子。它們屬于輕子粒子群，比如常見的電子，P介子和t介子。因?yàn)橹形⒆訋缀醪慌c普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，所以可以通過它們直接 看到星體中心，要做到這一點(diǎn)，我們必須能夠捕捉到它們并對它們進(jìn) 行研究，物理學(xué)家正在朝這個(gè)方向努力。不久前，物理學(xué)家還認(rèn)為中微子沒有質(zhì)量，但最近的進(jìn)展表明， 這些粒子可能也有些許質(zhì)量，任何這方面的證據(jù)也可以作為理論依 據(jù)，找出4種自然力量中

15、的3種一一電磁、強(qiáng)力和弱力一一的共性， 即使很小的重量也可以疊加，因?yàn)榇蟊粝铝舜罅康闹形⒆印?1、為了能與地球近平直參考系中的實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行比較， 必須將彎曲時(shí)空中對引力問題的計(jì)算換算成用平直時(shí)空中的標(biāo)準(zhǔn)尺 和標(biāo)準(zhǔn)鐘（或局部慣性系的標(biāo)準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)鐘）來計(jì)量。這在彎曲時(shí) 空引力理論中被認(rèn)為是基本原則，但目前廣義相對論對具體問題計(jì) 算的過程中卻普遍地忽略了這個(gè)原則。采用標(biāo)準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)鐘計(jì)算的 結(jié)果表明，水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)是實(shí)際觀察值的4.8倍，而且方向相反， 雷達(dá)波延遲只是觀察值的53%，這樣的結(jié)果顯然是根本不可能的。因 此廣義相對論實(shí)際上并未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，除非愛因斯坦引力場方程 描述的已經(jīng)是平直時(shí)

16、空中的結(jié)果，不是彎曲時(shí)空中的結(jié)果，但這與 愛因斯坦彎曲時(shí)空引力理論的前提相矛盾。按愛因斯坦引力場方程計(jì)算，細(xì)圓環(huán)和雙球體引力場中心 會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)，表明時(shí)空奇異性是采用彎曲坐標(biāo)的描述方法引起的， 不是自然本性。所謂奇異性黑洞、白洞和蟲洞以及時(shí)間旅行等在自 然界中都是不存在和不可能的。由于地球觀察者與宇宙物質(zhì)間存在相對運(yùn)動(dòng)速度，描述膨 脹宇宙必須采用動(dòng)態(tài)能量動(dòng)量張量，不能采用靜態(tài)能量動(dòng)量張量。 采用動(dòng)態(tài)能量動(dòng)量張量后的計(jì)算結(jié)果表明，愛因斯坦引力場方程不可能用來描述均勻且各向同性膨脹的宇宙，現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)面臨基 礎(chǔ)缺失的危機(jī)。14、什么是奇點(diǎn)?對于宇宙學(xué)家、圓周研究所主任尼爾圖羅克(Neil Turo

17、k) 宙創(chuàng)生之時(shí)，它處于溫度和密度都無窮大的狀態(tài)一一點(diǎn)，所有已 知的物理定律在那時(shí)都會(huì)失效?！拔覀儾恢涝撊绾蚊枋鏊?，”他 說，“任何一個(gè)囊括所有物理的理論怎么能不包含它？ ”為了避免 宇宙創(chuàng)生的奇點(diǎn)，他參與提出了 “火劫”理論。這一理論認(rèn)為，我 們所處的世界是至少10維的宇宙中的一張低維膜，兩個(gè)分立的三維 膜會(huì)沿著垂直的維度前后震蕩。每一萬億年左右，這兩個(gè)膜就會(huì)彼 此靠近并且碰撞，碰撞會(huì)釋放出一個(gè)火球進(jìn)而使得每個(gè)宇宙“重 生”。同時(shí)，圖羅克還寄希望于弦理論以及相關(guān)的“全息原理”。 根據(jù)全息原理，一個(gè)三維的奇點(diǎn)可以被轉(zhuǎn)換為二維空間中一個(gè)在數(shù) 學(xué)上更容易處理的東西。這也許意味著第三維和引力只不過

18、是一種 “幻影”。他說：“這些工具給我了一條思考這一問題的新途徑， 并且它在數(shù)學(xué)上非常讓人滿意?！眮碚f，讓他無法入睡的問題則是世間一切的起始大爆炸。在宇李政道、楊振寧分歧，觀點(diǎn)截然不同：2005年4月18日中 國科學(xué)報(bào)登載李政道、楊振寧的文章。李文認(rèn)為廣義相對論更重 要的作用是在21世紀(jì)，因?yàn)橐灏滴镔|(zhì)、暗能量的問題，還得靠 愛因斯坦的理論來指導(dǎo)；楊文卻認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律在20世紀(jì)， 已全部被發(fā)現(xiàn)了，21世紀(jì)將是基本規(guī)律在各領(lǐng)域的應(yīng)用。去年，中 國科學(xué)報(bào)登載了我科學(xué)家挑戰(zhàn)現(xiàn)代物理學(xué)“兩朵烏云”，報(bào) 道由中科院多個(gè)研究所、上海交通大學(xué)、中國原子能科學(xué)院等多家 科研單位參與的國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“暗物質(zhì)、暗能量的理論研究 及實(shí)驗(yàn)預(yù)研”。認(rèn)為19世紀(jì)末，