超越爱因斯坦：从大爆炸到黑洞，本文主要内容关键词为：爱因斯坦论文,黑洞论文,大爆炸论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
自然界中存在四种基本相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。这四种基本相互作用中，引力是第一个被人们认识和通过具体理论框架来描述的，然而目前除了引力之外，其他三种相互作用已经能够用统一场理论进行描述，唯独引力还徘徊在大统一理论的门外。 引力是那么的基本和重要，它决定了时空结构，它主宰着宇宙中万事万物的起源和演化。迄今最完美的引力理论正是爱因斯坦1915年提出的广义相对论，它揭示了时空几何与物质分布之间深刻的内在联系。 广义相对论还有许多重要预言，比如宇宙是从大爆炸开始膨胀而来的；宇宙中存在奇异的天体——黑洞；宇宙中存在奇异的反引力的能量，能推动宇宙加速膨胀；引力具有透镜效应；引力扰动能产生引力波等等。到目前为止除了引力波和黑洞还没有被直接探测到(尽管有许多间接证据)，所有广义相对论的预言都已经被证实。 然而爱因斯坦留下的文化遗产并不完整。广义相对论尽管预言了很多物理现象，并给出了这些物理现象的具体理论描述，但是没有给出这些物理现象发生的原因，也没有告诉人们这些物理现象背后的物理本质是什么。比如根据广义相对论的预言宇宙从大爆炸开始膨胀而来，但是大爆炸刚发生的瞬间，宇宙中发生了什么?大爆炸为什么会产生?大爆炸的巨大能量来自哪里?又如，广义相对论预言了宇宙中存在奇异的天体——黑洞，黑洞具有巨大的引力，连光都被囚禁了，但是紧靠黑洞处，当物体马上要被吸入的时刻，真正发生了什么?再如，广义相对论场方程预言了宇宙有反引力的奇异能量，能使宇宙进入加速膨胀阶段，这种能量的物理本质又是什么呢?此外，广义相对论所揭示的时空几何和物质分布之间本质联系在微观尺度又该如何理解呢?广义相对论所谈到的奇点是什么?奇点处的物理又该如何描述?对于这些问题的深入思考将推动人们对引力做更深层次的研究，对实现把引力纳入大统一理论起到重要作用。 在纪念爱因斯坦提出广义相对论100周年的今天，本文简要回顾广义相对论，讨论如何超越爱因斯坦的理论，从而进一步深入揭示引力本质，寻找探索爱因斯坦遗留问题的途径。 广义相对论的真谛 宇宙的复杂性充满了挑战，要深刻理解我们的宇宙需要具备不同尺度有关引力的基本知识。牛顿是第一个认识到引力性质具有普遍性的，他发现引力决定了地球上所有物体的下落，决定了太阳系中行星的运动。在更大的尺度上，引力的作用更为巨大，它驱动星系、星系团甚至整个宇宙的演化。爱因斯坦的广义相对论对于各种尺度的物理现象都给出了更为详细的描述，既对致密星体——中子星这样的小尺度物体适用，也对宇宙这样大尺度的研究对象适用，广义相对论的理论解释已经被各种实验观测所证实。 除了这些成果，广义相对论在理念上的最大突破就是把时空和物质紧密地联系在了一起。19世纪开始，通过罗巴切夫斯基(N.I.Lobatchevski)、黎曼(G.F.B.Riemann)和高斯(J.C.F.Gauss)的工作，人们已经知道，空间并非必须曲率为零。当时这在几何学上确实是个革命性的认识，但是数学家一致认为几何是先行的概念，它和任何物理现象无关，事实上这跟早先牛顿的观念是一致的。但是莱布尼茨(G.W.Leibniz)对这个问题就持有完全不同的观点，他认为如果时间和空间与物质世界无关，那么就失去了意义。从与物质密切相关的时间和空间概念出发，赫兹(H.R.Hertz)在1889到1894年间发展了一套新的力学理论。但是真正认为时空和物质完全不能分割的还是1915年爱因斯坦提出的广义相对论。 广义相对论中的时空是对于给定物质分布的引力场方程的解，物质有怎样的分布就告知了时空该如何弯曲；而人们理解物理世界就好比是经历一场时空探险，怎样弯曲的时空就能决定物质该如何运动。广义相对论用简洁的数学公式描述： G[，μυ]=8πGT[，μυ]， 其中左边代表时空几何，右边代表物质分布，深刻地反映了时空和物质的密切关系。 广义相对论的预言与挑战 广义相对论预言了宇宙从大爆炸开始膨胀而来，但是大爆炸又是如何产生的?它的能量从哪里来?大爆炸那个瞬间到底发生了什么? 回顾宇宙的诞生和成长史，广义相对论告诉人们：宇宙是通过大爆炸从一个奇点进发膨胀而来的。宇宙膨胀的预言早在1929年就由哈勃(E.P.Hubble)证实，他观测到离地球越远的星系退行速度越快，从而证实宇宙正在膨胀。大爆炸那个瞬间时空诞生了，大爆炸奇点处，物质密度趋于无穷大。物质决定时空，刚诞生的婴儿时空在那一刻高度弯曲，整个时空都卷曲在一起，没有可能来回答大爆炸之前宇宙长什么样，因为大爆炸之前根本就没有时空存在。在宇宙大爆炸后10[-34]秒内宇宙经历了指数级膨胀阶段，即暴胀，使宇宙时空从高度弯曲变得平坦，这就回答了为什么观测到的宇宙都那么平坦。 经过这个暴胀阶段，极高温的宇宙变得冰冷。在暴胀结束时，依靠剧烈的量子涨落，宇宙这个“炉子”又被重新点燃，接下来就进入到所谓的标准宇宙学进程。被重新点燃的宇宙中到处充斥着在量子涨落种子基础上形成的基本粒子，这个时候的宇宙非常混浊，光子不能自由穿行，四处与各种基本粒子相撞，完全不能指望光信号来告知那时的宇宙发生了什么。 随着宇宙进一步膨胀，温度进一步降低，基本粒子互相结合，比如质子和中子结合形成原子核，接着电子又被原子核俘获形成原子。宇宙逐渐变得透明，光子有缝隙可以穿越出来。到大约大爆炸后38万年时，整个宇宙变得完全透明，光信号能够完全传出，这就是人们探测到的微波背景辐射。通过微波背景辐射能够了解到的最早的宇宙是38万年时的宇宙，但无法依靠宇宙微波背景辐射来解读更早期的宇宙，更不可能指望微波背景辐射来回答：大爆炸瞬间发生了什么物理过程，大爆炸的能量从哪里来? 最先发现宇宙微波背景辐射的是两位无线电物理学家威尔逊(R.Wilson)和彭齐亚斯(A.Penzias)，他们在美国新泽西州架设的卫星通讯天线上接收到了无法消除的“噪声”，在和普林斯顿大学的物理学家迪克(R.H.Dicke)、皮布尔斯(P.J.E.Peebles)等人讨论后才知道这个噪声正是宇宙的微波背景辐射。因为这一发现，威尔逊和彭齐亚斯获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。微波背景辐射尽管不能透露宇宙极早期的物理信息，但对研究宇宙的演化，结构的形成能够提供非常有价值的数据。人们对微波背景辐射的观测不断深入，探测的努力从地球上的气球实验发展到太空卫星实验。 最早进行宇宙微波背景辐射太空卫星探测的是马瑟(J.C.Mather)和斯穆特(G.Smoot)领导的研究小组，他们的卫星于1989年升空，他们的精确探测结果被认为是“宇宙学研究真正进入了精确科学时代”的标志，他们也因此分享了2006年诺贝尔物理学奖。接下来，2001年发射的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和2009年发射的普朗克(Planck)卫星实验中，人们对宇宙微波背景辐射的探测精度不断提高，这些精确数据对揭示宇宙演化和结构形成起到了关键作用。 宇宙微波背景辐射告诉人们宇宙诞生38万年时的样子，有什么办法和手段能了解更早期宇宙的物理本质，来回答关于宇宙大爆炸的那些问题呢?2014年3月，哈佛大学天体物理研究团队声称，他们通过放在南极的BICEP2望远镜，第一次捕捉到了宇宙婴儿时期的第一声啼哭声——宇宙原初引力波。尽管目前还没有足够证据支持这一发现，但是宇宙原初引力波是在宇宙暴胀时期的引力扰动形成的，如果这么早期宇宙的信号真的能被发现，那么依靠这种对宇宙原初引力波的探测，人们就有希望揭开宇宙大爆炸瞬间的神秘面纱，就有可能尝试回答关于宇宙大爆炸的那些神秘问题。 广义相对论预言了宇宙中有黑洞存在，黑洞也已经被间接地观测到，但是紧贴黑洞周围到底发生了什么物理过程? 黑洞是个奇异的天体，连光都逃脱不了它的魔爪。早在18世纪末，拉普拉斯(P.-S.Laplace)就已经在牛顿力学的基础上提出，光不能从一个由巨大质量的物体附近逃逸。真正黑洞的时空解是在爱因斯坦提出广义相对论后的第二年，1916年由施瓦西(K.Schwarzschild)推导出来的，但是那个时候，人们只是把这种奇异的天体称为黑体。黑洞这个词是1968年惠勒(J.A.Wheeler)在研究引力塌缩问题时提出来的。 黑洞物理中有个重要定理：“无毛”定理，这个定理极大地限制了黑洞的种类。这个定理是说：对于外部观测者，黑洞只有质量、电荷和角动量三个参量能被观测到，除此之外没有多余的可以被探测到的“毛”。这个“无毛”定理是否完备，目前引力学家正在进一步研究。除了三根“毛”外，在极其靠近黑洞的附近，到底发生了什么物理现象?有什么方法能帮助人们来解答：黑洞附近发生了什么物理过程呢? 如果宇宙的某个地方有个双星系统，由一颗黑洞和一颗绕着黑洞旋转的红巨星组成。红巨星是指年轻的恒星，由炙热的气体分子组成。在这样的双星系统中，由于黑洞的引力吸引，红巨星中的热气体分子会被拽过来绕着黑洞旋转。越是靠近黑洞边界的地方，热气体分子云越是稠密，而且绕黑洞旋转的速度越快，因为只有具备足够大的动能，热气体分子才能逃脱黑洞的巨大引力。但是总有些气体颗粒，其本身动能不够大，被黑洞吸引最终落入黑洞。在被吸入的过程中，这些气体颗粒会与高速绕黑洞运转的稠密气体分子云发生剧烈碰撞，这种剧烈碰撞在黑洞边界附近产生强烈的X射线辐射。这种X射线辐射已经被钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory，CXO)发现。通过对X射线辐射的研究，也许能揭示黑洞附近的物理。 宇宙中的黑洞并不是永远有恒星陪伴左右的。对许多独处的黑洞，有没有办法也能洞悉其周围发生的物理现象呢?一颗孤独黑洞的表面好比一个平静的湖面，当有个物体被黑洞吞没时好比有一块石头被扔进湖里。石头在平静的湖面上激起涟漪，随着石入湖心，涟漪会渐渐散去，湖面又将归于平静。物体被黑洞吞没过程，黑洞周围的引力场受到扰动，这种扰动就像是涟漪最后会逐渐退去。黑洞周围的这种扰动被称为引力波。近年来国际上投入了大量的人力和物力，试图来寻找这种致密星体周围的引力波。国际上的引力波探测计划包括美国的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO)，欧洲的处女座(Virgo)探测器，等等。如果能真正精确探测到黑洞周围的引力波，那就意味着能回答黑洞周围的物理是什么的问题。 黑洞是个有意思的研究对象，它是量子引力研究的实验室。听起来黑洞是那么可怕，连光都逃脱不了它的魔爪。迄今为止还没有人因为研究黑洞而获得过诺贝尔物理学奖，黑洞的研究还是值得静心去做的。 广义相对论预言了宇宙会加速膨胀，但谁是宇宙加速膨胀的幕后推手?宇宙加速膨胀的物理本质到底是什么? 1998年珀尔马特(S.Perlmutter)领导的伯克利大学研究小组和里斯(A.G.Reiss)、施密特(B.P.Schmidt)所在的哈佛大学研究小组同时发表对远处Ia型的超新星的观测结果，指出宇宙正处在加速膨胀阶段。由于这一重大发现，珀尔马特、里斯和施密特分享了2011年度的诺贝尔物理学奖。 Ia型的超新星被认为是标准烛光，因为这种超新星的爆发只有在白矮星质量达到太阳质量1.38倍时才会发生；另外它们所释放的能量是固定的，完全来自其内部从镍56经钴56跃迁到铁56而产生。天文学对星体的亮度有绝对亮度和视亮度两个概念。绝对亮度和星体本身释放出来的能量有关，视亮度是人们观察星体时看到的亮度，这当然和星体距离人们的远近有关。比较同一颗星体绝对亮度和视亮度，可以得知星体的距离，这个距离被称为光度距离。 上述伯克利大学和哈佛大学的两个研究小组就是通过观测远处超新星所得到的光度距离，发现我们的宇宙膨胀目前正处在加速阶段。 但是宇宙加速膨胀这一现象背后的物理原因是什么?谁是宇宙加速膨胀的幕后推手?
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