爱因斯坦的最大“失误”可能要被修正了

上图显示了星系弯曲的时空结构(绿色)和暗能量平滑效应(紫色)，后者控制了重力效应。(资料来源:美国航天局/JPL-加州理工学院)

物理学中有一个基本问题。

一个称为宇宙常数的数字将量子力学的微观世界与爱因斯坦广义相对论的宏观世界联系起来。但是这两种理论都不符合它的价值。

事实上，这个常数的观测值和理论上的预测值有很大的差异。人们普遍认为这是物理学史上最糟糕的预测。解决这一矛盾可能是本世纪理论物理学最重要的目标。

瑞士日内瓦大学理论物理助理教授卢卡斯·朗比斯尔(Lucas Lombriser)介绍了一种评估爱因斯坦引力方程的新方法，以便找到与观测值接近的宇宙常数。他在10月10日出版的《物理快报B》上发表了他的方法。

爱因斯坦最大的错误是如何变成暗能量的

宇宙常数的故事始于一个多世纪前，当时爱因斯坦提出了一组方程，现在称为爱因斯坦场方程，这成为他的广义相对论的框架。这个方程解释了物质和能量如何扭曲时空结构，从而产生重力。当时，爱因斯坦和天文学家一致认为宇宙的大小是固定的，星系之间的整体空间没有变化。然而，当爱因斯坦将广义相对论应用于整个宇宙时，他的理论预言了一个膨胀或收缩的不稳定宇宙。为了迫使宇宙静止，爱因斯坦增加了一个宇宙常数。

将近十年后，另一位物理学家埃德温·哈勃发现我们的宇宙不是静止的，而是在膨胀。来自遥远星系的光表明它们都在远离彼此。这个结果说服爱因斯坦放弃他的场方程中的宇宙常数，因为它不再是膨胀的宇宙所必需的。根据物理学中的谣言，爱因斯坦后来承认宇宙常数的引入也许是他最大的错误。

1998年，对遥远超新星的观测表明，宇宙不仅在膨胀，而且在加速。星系在相互加速，就好像某种未知的力量正在克服重力，将那些星系推开。物理学家将这一神秘现象命名为暗能量，因为它的真实性质仍然是个谜。

具有讽刺意味的是，物理学家再次将宇宙常数引入爱因斯坦的场方程来解释暗能量。在当前的宇宙学标准模型(称为λCDM，λCDM)中，宇宙常数和暗能量可以相互替代。天文学家甚至根据对遥远超新星的观察和宇宙微波背景的波动来估计它们的值。尽管这个值很小(大约每平方米10-52)，但它足以解释宇宙层面的空间加速膨胀。

“宇宙常数(或暗能量)目前约占我们宇宙能量含量的70%，这是从观察到的宇宙当前经历的加速膨胀推断出来的。然而，这一常数并不为人所理解，”隆布里尔说。“我们无法解释。我们似乎缺乏理解宇宙的基本知识。解决这个难题是现代物理学的主要研究领域之一。人们普遍预测，解决这个问题将使我们对物理学有更基本的了解。”

这是物理学史上最糟糕的理论预测

宇宙常数被认为是物理学家所说的“真空能量”。量子场论指出，即使在完全真空的环境中，虚拟粒子也会大量出现和消失并产生能量——这是一个看似荒谬的想法，但实际上是在实验中观察到的想法。当物理学家试图计算它对宇宙常数的贡献时，问题就出现了。他们的结果与观察结果不同。这种差异是惊人的10121(即10之后是120个零)，这是所有物理学中理论和实验之间最大的差异。

这种差异甚至让一些物理学家怀疑爱因斯坦最初的引力方程。有些人甚至提出了另一种重力模型。然而，来自LIGO的引力波的进一步证据只是被广义相对论加强了，并且驳斥了许多替代理论。这就是为什么伦皮斯没有重新考虑重力，而是采用不同的方法来解决这个宇宙问题。

“我提出的机制并没有修改爱因斯坦的场方程，”朗比斯尔说，相反，“我只是在爱因斯坦的场方程中增加了一个方程。”

重力常数，最初用于牛顿重力定律，现在是爱因斯坦场方程的重要组成部分，描述物体之间的重力大小。它被认为是物理学的基本常数之一，自宇宙形成以来一直保持不变。朗比斯尔戏剧性地假设这个常数可以改变。

在伦布里斯特对广义相对论的修正中，引力常数在我们能观察到的宇宙中保持不变，但在宇宙之外它可以改变。他提出了多元宇宙的概念，也就是说，宇宙中可能有一些我们看不见的区域，不同的区域对应不同的基本常数。

重力的这一变化给隆皮斯带来了一个额外的方程，将宇宙常数与时空物质的平均总和联系起来。在计算了宇宙中所有星系、恒星和暗物质的估计质量后，他可以解这个新方程，并获得宇宙常数的新值——这个值与观测结果非常一致。

他使用了一个新的参数，欧米茄λ，来代表宇宙中由暗物质组成的一部分。他发现宇宙由大约74%的暗能量组成。这个数字非常接近观察估计的68.5%的值，这是对量子场论发现的巨大差异的巨大改进。

尽管朗比斯尔的框架可以解决宇宙常数的问题，但目前还没有办法测试它。然而，在未来，如果来自其他理论的实验证实了他的等式，这可能意味着我们对暗能量的理解有了重大的飞跃，并提供了一个解决其他宇宙奥秘的工具。

蝌蚪工作人员从太空编译，翻译李同信，必须授权重印