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上个世纪,有两个伟大的理论彻底地改变了我们对自然的理解。其中一个是量子力学,描述了粒子和它们之间的相互作用。另一个则是爱因斯坦的广义相对论,将引力和弯曲的时空联系在一起。100年以来,两者皆经受住了无数次对它们的检验。尽管有许多人都在试图修正爱因斯坦的引力理论,但所有的实验只是不断地证明了爱因斯坦是正确的!特别是这两年,关于引力波探测的进展更是令人喜出望外。广义相对论不仅有许多一开始令人无法接受的预言(比如黑洞和虫洞等),在探索宇宙奥秘的道路上,它也奠定了强有力的理论基础。

1爱因斯坦的引力理论如何与量子力学结合?

当我们谈及宇宙大爆炸或黑洞奇点的时候就会意识到,广义相对论和量子力学必须合二为一才能揭开宇宙更深层的秘密。

自爱因斯坦的时代物理学家就已经开始试图构建一个量子引力理论,即对引力场进行量子化描述的理论,就跟自然界中的其它场一样。在所有理论中,最著名的两个尝试分别为弦理论圈量子引力。前者将一个粒子的世界线替换成弦的世界面,因此费恩曼图中的线相交被拓展为面相交。后者则认为时空具有“颗粒性”。虽然这两个理论在数学上非常具有吸引力,但它们目前还没有做出可检验的预言。其它的尝试包括因果集理论,因果动态三角剖分理论,渐进安全引力理论和涌现引力理论等。

近年来,物理学家还发现爱因斯坦曾经提出的两个理论有着令人惊喜的关联,该理论用一个方程表示为:ER = EPR。方程左边代表虫洞,右边代表量子纠缠。在这个基础上,Leonard Susskind更是进一步提出GR = QM(广义相对论=量子力学),将二者统一[3]。

物理学之谜——引力和宇宙

○ 通往量子引力理论的所有可能路径。

2黑洞的熵和温度的起源是什么?

自约翰·惠勒提出“黑洞”一词后,科学家、科幻家、小说家等就没有停止过对它的想象。它不仅仅只是理论上的产物,大量天文观测都证实了恒星级黑洞和超大质量黑洞的存在。2018年,黑洞也将迎来历史性的一刻,我们即将看到它的第一张照片!

一直以来,黑洞都是滋生悖论的温床。上个世纪,贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和霍金(Stephen Hawking)提出了黑洞熵和辐射的概念后,争论就从没有停止过。霍金和索恩(Kip Thorne)也为此有过好几次著名的打赌。到目前为止,都是索恩获胜(他还获得了2017年的诺贝尔物理学奖)。贝肯斯坦-霍金熵的公式为

物理学之谜——引力和宇宙

霍金温度定义为

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A和κ分别表示黑洞的表面积和表面引力,公式中假定了一些著名的常数ħ = c = G = k = 1。公式中的量同时与引力和量子力学紧密联系,但最基本的问题是为什么熵正比于面积(A)而不是体积。弦理论、圈量子引力理论、以及其它的模型都尝试在四维时空中的真实黑洞或最简单的静态史瓦西黑洞的情况下推导式子(1),但都没有成功。这足以证明,我们并未真正理解黑洞熵的深意。

3信息在黑洞中丢失了吗?

在1974 - 1975年间,霍金计算了在黑洞周围的量子场实际上会辐射出粒子(即霍金辐射)。辐射会使黑洞失去质量并且变得越来越小,直到黑洞完全蒸发殆尽。自此之后,便诞生了所谓的“黑洞信息悖论”。

根据广义相对论,进入黑洞的信息不会再出来,而被困在黑洞内的信息会因为蒸发而消失。那么,信息去哪了?如果它随着黑洞消失,那就违反了量子理论。或许你会想,难道信息不会储存在霍金辐射中一起出来吗?问题就在于黑洞内的信息是不能跑出来的,因此唯一的可能就是霍金辐射里复制了进入黑洞的物体信息。这样就有两份信息,一份在黑洞外,一份在黑洞里面,不过这也违反了量子理论。当然,另一个最简单的可能性便是:量子力学是不完备的,因此黑洞信息悖论就迫使我们去拓展该理论,就像爱因斯坦的相对论拓展了牛顿的运动定律一样。

物理学之谜——引力和宇宙

○ 霍金辐射。

之后,为了挽救量子理论,物理学家逐渐提出了互补原理全息原理等,之后又面临了火墙悖论的困境,问题似乎变得越来越棘手。但有一点可以肯定的是,这个问题和10、11有着密切的关联,或许只有等到我们发展出量子引力理论,该悖论才能得到完美的解决。

4宇宙学常数问题

1917年,为了描述一个静态的宇宙,爱因斯坦在场方程中引进了一个额外的常数项,称为宇宙学常数,它提供了抵抗引力的排斥作用。然而,当哈勃发现宇宙正在膨胀的时候,爱因斯坦认为这是他一生中犯的最大的错误。而现在看来,这个“错误”或许有着更深的含义。

物理学之谜——引力和宇宙

○ 爱因斯坦为了描述静态的宇宙在场方程中引入了宇宙学常数(Λ)。事实上,宇宙学常数有两种方式可以出现在场方程中,在左边时它充当了几何项,而在右边时它则充当了真空中的能量密度。

根据量子力学,真空本身会有微小的涨落,这些涨落会产生能量。物理学家认为量子真空能量可以充当宇宙学常数的角色。但是,基于量子力学计算的真空能量的值远高于实际观测到的能量密度——高出120个数量级,这个结果被惊叹为“物理学史上最糟糕的理论预测”。这便是宇宙学常数问题[4]。物理学家提出了多重宇宙和人择原理(进一步讨论可参考问题21)等模型来解决理论和观测之间的偏差,但目前并没有统一的意见。

5 什么是暗能量?

1998年,两个独立的天文小组通过对遥远的超新星爆发的测量得出了一个惊人的结论:宇宙正在加速膨胀!科学家把造成加速膨胀的幕后推手称为“暗能量”。暗能量占据了宇宙总质量和能量的68.3%,它支配着宇宙的终极命运。

但究竟什么是暗能量?在这个问题上,科学家耗费了大量的笔墨和实验观测,一个最简单的解释或许是暗能量就是宇宙学常数,但如上述,我们遇到了问题。也有人提出一些具有奇异性质的粒子能够充当暗能量的角色,比如变色龙粒子,它的性质会随着周围的环境而改变。又或许宇宙中存着一种微弱且长程的第五种基本力,它会抵消掉一点引力的作用。当然,也有一些物理学家认为根本不存在暗能量,只是现有的引力理论需要得到修正。(在2017年发现的双中子星合并中,有一些试图修正引力的理论已经被否定。)虽然有许多的理论被提出,但暗能量依旧保持着它的神秘。

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○ 基于Lovelock's theorem,对引力进行修正主要有几个选项,比如添加新的场或假设存在更高维度。双子星合并事件已经排除了其中一些理论。| 图片来源: Tessa Baker

6宇宙经历了暴胀时期吗?如果是,暴胀又是如何以及为何开始的?

当宇宙的年龄仅为10^-32秒时,宇宙经历了一场指数式的膨胀,这段时期被称为暴胀时期。暴胀理论的提出是为了解释传统大爆炸理论所面临的难题(比如视界问题和平坦性问题) 。但是,暴胀理论面临着几个问题。第一个重要的问题需要由观测来回答,即是否有暴胀的直接证据。第二个需要同时由理论和观测来回答,即暴胀的起源之谜。目前有许多富有竞争力的模型,但都受到许多质疑。2017年,针对于暴胀理论是否是一个科学理论,世界上最富盛名的物理学家都加入了这场辩论。

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○ 2017年2月,一篇题为《POP goes the universe》的文章引发了关于宇宙起源的辩论。详见:《一场关于宇宙起源的大辩论爆发》。

7为什么宇宙中遍布着物质,而不是反物质?

根据粒子物理学的标准模型的预测,在宇宙诞生之初,应该有等量的物质和反物质被创造。而我们知道,当正反物质相遇时会发生湮灭,化作一团能量。理论上,这样的一次大湮灭事件应当发生在138亿年前。但事实是,在那场战役中,物质战胜了反物质,并存活了下来,否则我们就不会在这里寻找这个问题的答案。

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○ 当物质和反物质相遇时,会发生湮灭,所有的能量都会以光子的形式释放。

1968年,物理学家Andrei Sakharov意识到,如果宇宙满足三个条件,那么物质和反物质不对称性就是不可避免的。这三个条件分别是:重子数不守恒、违反C对称(电荷共轭对称)和CP对称(电荷共轭与宇称联合对称性)、以及存在偏离热平衡的相互作用。解决物质-反物质不对称性的理论包括轻子数不对称产生机制、电弱重子数产生机制、Affleck-Dine机制和普朗克/大统一重子数产生机制。

8什么是暗物质?

Fritz Zwicky在1930年代和Vera Rubin及她的合作者在1970年代的观测都表明,星系中的引力大多数来自不发光的物质,即所谓的暗物质。近年来许多天文观测数据都倾向于暗物质的存在,它的数量大约是普通物质(比如行星、恒星、气体等)的5到6倍。在宇宙的138亿年的演化过程中,它对星系、星系团和大尺度结构的形成至关重要。

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○ 两个星系团间的碰撞合并成一个更大的星系团。这被认为是暗物质的强有力证据。

但究竟什么是暗物质?我们并不知道,通过天文观测,我们可以推测出暗物质不发光、不反射、也不吸收光。因此,通过普通的光学手段是无法找到它们的踪迹的。科学家提出了许多可能的候选粒子,比如弱相互作用大质量粒子、轴子、惰性中微子、超中性子等等。但到目前为止地底下的大型探测器、太空中的卫星、以及对撞机中均未发现暗物质的踪迹。另一些人则希望通过修正引力来解释暗物质的存在(详见:《谁才是真正的银河护卫者》)。而最近,物理学家 Justin Khoury 和 Lasha Berezhiani 认为,在寒冷、高密度的环境下,暗物质会凝聚成超流体。这个想法得到了越来越多人的青睐。

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○ 左边:巨大的星系团之所以能够束缚在一起是因为暗物质提供了额外的引力。在星系团中的暗物质粒子的运动比较随机。右边:单独星系也需要额外的力才能维持,否则星系早就分崩离析。但是普通的暗物质模型无法完美地解释这个力。一个稠密的星系晕中的暗物质可以被凝聚成超流体。而这个超流体可以提供额外的力。

9宇宙中还有哪些新的天体等待被发现?

宇宙中遍布中许多不同类型的奇异物体。在我们熟悉的普通恒星内部,辐射压和引力的完美对抗,防止它进一步坍缩。而在白矮星中所发生的事情则更有意思,它是由电子的“简并压”所支撑着。类似地,恒星死亡后另一个结局——中子星,则是由中子简并压支撑。1967年,Jocelyn Bell Burnell发现了快速旋转的中子星——脉冲星。此外,宇宙中也有许多恒星级黑洞,天文学家通过黑洞周围的吸积盘辐射出的X-射线对它们进行观测。而超大质量黑洞被认为普遍存在于大型星系的中心。宇宙中也充满了不同的粒子和辐射,它们都有着不同的起源。

基于过去几十年天文观测带来的惊喜,我们完全有理由期待未来会发现更多令人意想不到的天体。例如,天文学家还没有在宇宙早期形成的第三星族星,它们几乎完全由氢气和氦气构成。又比如Katherine Freese提出来的“暗星”,或者由夸克组成的“夸克星”,或以暗物质湮灭做为能量来源的天体(而不是核反应)。未来,天体物理学充满了无限的可能性。

 

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