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相對論需要修正了?科學家參考大量數據,發現了很小的可能性

從提出至今, 愛因斯坦的廣義相對論經歷了科學家們的多次驗證, 每一次都通過了考驗, 證明了愛因斯坦的正確性。 然而, 試圖找到相對論的不普適性的人始終存在, 這一次又有科學家提出了新的看法。

我們知道, 廣義相對論直到現在還可以完美地解釋宇宙中的巨觀天體物理學現象, 尤其是恒星、黑洞乃至星系級別。 但正所謂鞭長莫及, 在量子領域, 廣義相對論遭遇了滑鐵盧, 完全無法進行解釋。 如今, 在宇宙尺度下, 也有人對這個理論提出了挑戰。

雖然愛因斯坦本人不敢相信, 但廣義相對論已經從理論上證明了宇宙是在膨脹的。 而且, 根據1998年的一項研究, 我們的宇宙甚至還在加速膨脹。 這意味著這種膨脹并不僅僅來自于宇宙大爆炸, 而是還有一種機制在提供膨脹的能量, 這就是所謂的暗能量。

這也符合量子理論的預測:即便是真空中, 也充滿了我們注意不到的能量。 人類的設備目前還只能觀測能量的變化幅度, 而不能確定其總量。

然而, 根據目前對宇宙膨脹速度的觀測, 所需的暗能量似乎比量子理論預測的要少得多, 這令科學家們有點困惑。 如果兩個數字對不上號, 是否說明暗能量其實不是導致宇宙膨脹的根源呢?如果真的是暗能量產生了斥力,

為何這種力比理論預測的要小很多呢?

除了暗能量之外, 宇宙中還有一些人類無法觀測到的機制, 那就是暗物質。 和暗能量不同, 暗物質能夠產生引力, 它是將星系的天體聚攏在一起的關鍵, 但同樣無法被人類觀測到。

關于暗能量和暗物質, 目前有一個宇宙學理論得到最多的認可, 那就是Λ冷暗物質(LCDM)模型。 根據該模型的推測, 我們的宇宙的總質能中有大約70%被暗能量占據, 還有25%是暗物質, 我們能夠看見的一切可見物質其實僅占了5%左右。 根據天文學家近20年來的觀測, 數據也基本符合這個模型。

但是, 這個看起來已經符合預期的理論, 也遇到了麻煩, 那就是宇宙的膨脹速度。

天文學上衡量宇宙膨脹速度有一個參數, 叫哈勃常數, 這個常數被提出了差不多100年, 但沒有人知道它具體是多少。 其中LCDM模型可以幫助天文學家進行測算, 通過宇宙大爆炸的余暉——宇宙微波背景輻射, 天文學家測出了哈勃常數的一個數值。

天文學家還有一個更加「簡便」的方法, 那就是直接測量處于宇宙各個位置的天體和我們的距離, 以及它們的退行速度, 就可以算出哈勃常數的結果。

這兩種方法看起來都是經過論證, 沒有問題的, 但結果卻并不相同, 這意味著有一種方法存在著問題。 因此有人提出:或許LCDM模型并不準確,需要進行修正。修正的方法有很多,其中一種就是對引力理論的修正。換句話說,他們認為愛因斯坦的廣義相對論或許存在著瑕疵。

因此,驗證廣義相對論的話題再一次被提出,也有更多科學家加入到這個行列中來。

樸茨茅斯大學宇宙學教授Kazuya Koyama和西蒙弗雷澤大學物理學教授Levon Pogosian等人在《自然-天文學》雜志上發表論文,介紹了他們的最新研究成果。他們參考了大量的宇宙觀測數據,測試廣義相對論的準確性。

他們從三個方面對廣義相對論進行了驗證,分別是宇宙的膨脹、引力對光的影響以及引力對天體所產生的作用。他們將三種驗證手段結合起來,并利用一種名叫貝葉斯推斷的統計學方法,在計算機中重建了宇宙的引力模型。

研究人員的數據來源非常廣泛,包括歐洲航天局普朗克衛星的宇宙微波背景數據、超新星目錄、美國的斯隆數字巡天(SDSS)項目以及暗能量巡天(DES)項目對遙遠星系的形狀和分布的觀測等。在建立模型之后,他們與現在基于愛因斯坦廣義相對論的LCDM模型進行了比較。

沒想到,他們還真的發現了一些特殊的情況,那就是計算機模型確實和LCDM模型有不同之處。盡管統計學意義相對來說很低,但這也意味著LCDM模型以及愛因斯坦的廣義相對論確實有很小的可能性是需要調整的,否則無法在[大尺度]下滿足實際的天體物理學規律。

他們還注意到,僅僅通過對引力理論的修正,是不太可能解決哈勃常數面臨的困境的,也就是還需要其他方面的調整。

研究人員指出,或許宇宙中還存在著其他的機制。他們推測,在宇宙大爆炸之后,由于溫度太高,質子和電子無法結合為氫原子。就在這段期間,可能存在著某種特殊的暗物質、暗能量或者原始磁場之類的機制。當然,也可能是本次利用的數據中存在尚未被人類了解的系統誤差,需要修正。

不管怎麼說,本次研究向世人證明,利用現有設備在宇宙學距離尺度下驗證廣義相對論是可行的。盡管還沒有解決哈勃常數的問題,但研究人員已經提出了新的方法,未來隨著更多先進的觀測設備的問世,或許就會有更加令人興奮的研究成果出現。

總而言之,目前很多理論在現有的科學發展程度上是可行的,卻未必絕對準確,哪怕是廣義相對論。當初牛頓力學被奉若神明,還不是被發現了不適用的情況?或許有一天,廣義相對論也會被證明在某些方面存在問題,這對人類來說,將是一件好事。

因此有人提出:或許LCDM模型并不準確,需要進行修正。修正的方法有很多,其中一種就是對引力理論的修正。換句話說,他們認為愛因斯坦的廣義相對論或許存在著瑕疵。

因此,驗證廣義相對論的話題再一次被提出,也有更多科學家加入到這個行列中來。

樸茨茅斯大學宇宙學教授Kazuya Koyama和西蒙弗雷澤大學物理學教授Levon Pogosian等人在《自然-天文學》雜志上發表論文,介紹了他們的最新研究成果。他們參考了大量的宇宙觀測數據,測試廣義相對論的準確性。

他們從三個方面對廣義相對論進行了驗證,分別是宇宙的膨脹、引力對光的影響以及引力對天體所產生的作用。他們將三種驗證手段結合起來,并利用一種名叫貝葉斯推斷的統計學方法,在計算機中重建了宇宙的引力模型。

研究人員的數據來源非常廣泛,包括歐洲航天局普朗克衛星的宇宙微波背景數據、超新星目錄、美國的斯隆數字巡天(SDSS)項目以及暗能量巡天(DES)項目對遙遠星系的形狀和分布的觀測等。在建立模型之后,他們與現在基于愛因斯坦廣義相對論的LCDM模型進行了比較。

沒想到,他們還真的發現了一些特殊的情況,那就是計算機模型確實和LCDM模型有不同之處。盡管統計學意義相對來說很低,但這也意味著LCDM模型以及愛因斯坦的廣義相對論確實有很小的可能性是需要調整的,否則無法在[大尺度]下滿足實際的天體物理學規律。

他們還注意到,僅僅通過對引力理論的修正,是不太可能解決哈勃常數面臨的困境的,也就是還需要其他方面的調整。

研究人員指出,或許宇宙中還存在著其他的機制。他們推測,在宇宙大爆炸之后,由于溫度太高,質子和電子無法結合為氫原子。就在這段期間,可能存在著某種特殊的暗物質、暗能量或者原始磁場之類的機制。當然,也可能是本次利用的數據中存在尚未被人類了解的系統誤差,需要修正。

不管怎麼說,本次研究向世人證明,利用現有設備在宇宙學距離尺度下驗證廣義相對論是可行的。盡管還沒有解決哈勃常數的問題,但研究人員已經提出了新的方法,未來隨著更多先進的觀測設備的問世,或許就會有更加令人興奮的研究成果出現。

總而言之,目前很多理論在現有的科學發展程度上是可行的,卻未必絕對準確,哪怕是廣義相對論。當初牛頓力學被奉若神明,還不是被發現了不適用的情況?或許有一天,廣義相對論也會被證明在某些方面存在問題,這對人類來說,將是一件好事。

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