广义相对论还有2.0版？

发布时间：2023-03-27 09:17:10 所属栏目：外闻来源：

导读：爱因斯坦真是一位了不起的人，不仅他那些取得辉煌成就的理论，像狭义和广义相对论，长久屹立不倒，就是他自认为错误的一些观点或者被他放弃的某些想法，也一再给后人启发。这里姑且举一例。

1920年代，爱因斯坦在

爱因斯坦真是一位了不起的人，不仅他那些取得辉煌成就的理论，像狭义和广义相对论，长久屹立不倒，就是他自认为错误的一些观点或者被他放弃的某些想法，也一再给后人启发。这里姑且举一例。

1920年代，爱因斯坦在提出广义相对论后不久，首次用广义相对论研究整个宇宙，开创了现代宇宙学。他为宇宙建立了一个引力场方程。可是，他很快发现，这样的宇宙模型是不稳定的：由于引力作用，万物相吸相聚，这个宇宙有天然的收缩趋势。在那个年代，人们普遍深信，宇宙是静态的，亘古如斯。爱因斯坦也不例外。所以为了能让他的宇宙保持稳定，他只好在引力场方程中人为地添加一个常数项，以抵消引力。这就是著名的“宇宙常数”。

到1998年，天文学家发现，宇宙不只是在膨胀，而且在加速膨胀。这意味着一定存在某种隐蔽的力量在进一步抵消引力。怎样在理论上描述这一现象呢?天文学家想到了爱因斯坦那个具有“反引力”性质的宇宙常数，并把它所代表的隐蔽力量称为“暗能量”。这样一来，被爱因斯坦放弃的宇宙常数又复活了。

是爱因斯坦最先让我们改变了这种看法。首先，他的狭义相对论告诉我们，空间和时间不能分开，两者需要作为四维的时空一起考虑。随后，他的广义相对论又告诉我们，任何有质量的物体都可以使它周围的时空弯曲，而且这正是引力的起源。

爱因斯坦的理论通过了所有试验的检验。如今，狭义相对论成了现代物理学的基石，广义相对论成了现代天文学和宇宙学的基石。广义相对论真是神通广大，黑洞、引力波等都是先由它预言，而后被证实的。如果说还有什么缺憾的话，那就是在微观尺度上(譬如黑洞的奇点)，广义相对论似乎失效了，因为那里是量子理论的“地盘”，而量子理论和广义相对论目前还水火不相容。不过，这是后话。

引力和电磁力是两个具有不同性质的力。引力由质量产生，电磁力由电荷产生。电磁力由一组麦克斯韦方程描述，引力最早由牛顿的万有引力定律描述，后来在广义相对论中，被描述成时空的弯曲。由于时空在数学上属于几何的范畴，所以爱因斯坦将引力描述为时空弯曲的方法，又叫引力的“几何化”。

他的基本设想是这样的：弯曲只是扭曲的一种特殊情况。譬如，在手工制作面条的时候，两手拽着一根面条，让其中间自然垂挂下来，这是弯曲。用手拧面条，这就属于扭曲。我们可以把弯曲当作是扭曲度为零的一种扭曲。在几何学上，用曲率来描述弯曲，用挠率(小贴士：曲率与挠率)来描述扭曲。现在，他已经成功地用时空弯曲描述了引力，那么将时空弯曲(曲率)拓展成时空扭曲(挠率)，是不是能同时描述电磁力呢?爱因斯坦计划开发一个使用挠率来描述时空的广义相对论2.0版本，看看是否能把引力和电磁力统一起来。广义相对论1.0版本只关注时空的弯曲，但广义相对论2.0版也关注时空的扭曲。如果说引力场对应时空弯曲，那么一种被称为“挠场”的东西对应时空扭曲。

与爱因斯坦那个年代相比，今天的物理学处于全然不同的境地。广义相对论和量子理论在各自的领域里独领风骚。然而，它们在基本观念上却互不相容。譬如，在广义相对论看来，时空是光滑、连续的，可是在量子理论看来，微观的时空结构像泡沫一样起伏不定。此外，宇宙学也面临诸多困境(见拓展阅读“四个难题，一揽子解决”)。

其中一个问题最早是在20年前出现的，正因如此当时不少天文学家早就已注意探测到这个宇宙膨胀速度之快正在加速，我们没有更好的解释，只好权且称有一种叫“暗能量”的东西在推动宇宙加速膨胀。在过去几年里，天文学家遭遇了一个更加尴尬的问题。他们用两种不同的方法来测量宇宙的膨胀速率，一种基于超新星亮度，另一种基于宇宙微波背景辐射。但两种方法却给出了不同的答案。这个矛盾被称为“哈勃冲突”。

几十年来，理论家们一直在致力于修改广义相对论。大多数人是在引力场方程中添加点新的东西。虽然这样也能解决“哈勃冲突”，但是如何证明这样的修改是可靠的呢?

一种方法是测量引力波的速度。引力波是大质量天体(如黑洞、中子星)之间碰撞所产生的时空波动。广义相对论说，引力波以光速传播。但几乎所有修改后的广义相对论都说，引力波的传播速度比光速稍慢。

我们前面提到，为了统一引力和电磁力，爱因斯坦计划用“时空扭曲”的概念来代替“时空弯曲”;在数学上，打算用“挠率”来代替“曲率”。这一切，现在宇宙学家也想这么干，只是他们的目的不是为了统一引力和电磁力，而是解决涉及到当前天体物理学宇宙学上的一系列重大科学难题。

其实早在1976年，有人就证明，广义相对论方程既可以用曲率的语言来表述，也可以用挠率的语言来表述，两者的结果是完全等价的。如果爱因斯坦从一开始就选择使用挠率来写他的方程，他的理论仍然会运作得一样好。而用挠率的语言来表述，其好处是挠率比曲率在描述变形方面更全面，因为弯曲只是扭曲的一种特殊情况。

广义相对论在挠率的语言表述下，质量和能量就不仅能让时空弯曲，还能让时空扭曲。这样得到的广义相对论2.0版，用到像我们太阳系这样的普通空间，可能跟广义相对论1.0版没有明显的区别，但在像黑洞奇点或者整个宇宙这样一些极端情况下，就可能会有明显的区别。这就好比狭义相对论在物体运动远低于光速时，跟牛顿力学区别不大，而在接近光速时，区别就显露出来了。

2018年，一位巴西天体物理学家使用广义相对论2.0版对引力场方程做了简单修正，然后利用宇宙微波背景的数据，计算出宇宙的膨胀速率。其结果与测量超新星亮度给出的膨胀速率基本一致。哈勃冲突被化解了。后来，人们又用广义相对论2.0版解释了宇宙学中的其他三个大难题。只是，这些人使用的广义相对论2.0版虽然思想框架一致，都使用了挠率，但各不相同，有的在这里修正，有的在那里修正，所以目前还没有统一的广义相对论2.0版。

一个更加雄心勃勃的统一理论是弦论。弦论不仅想把所有基本相互作用力统一起来，还想把所有基本粒子和基本相互作用力实现统一，建立一个所谓的“万有理论”。弦论认为，宇宙中所有基本粒子和基本相互作用力都来自高维弦的振动。这个观点是对爱因斯坦广义相对论的进一步发展，也是量子力学的重要基础。

说实话，要验证广义相对论2.0版是否正确并不容易。到目前为止，广义相对论1.0版在它统治的地盘上，还没有露出任何破绽，甚至能完美地描述像黑洞碰撞这样极端的现象。要想让广义相对论2.0版给出与1.0版明显不同的答案，可能需要研究更极端的情况，譬如黑洞奇点。但是，如何研究黑洞奇点，目前物理学家还束手无策。

（编辑：汽车网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!