如何檢驗引力理論(七)(完結篇)_風聞
观察者网用户_244575-2018-12-16 10:38
原創:牧夫天文
在前面幾期中,我們介紹了引力理論的經典檢驗方法以及引力波檢驗方法,那麼除此之外,我們還可以利用哪些現象或者實驗對引力理論進行檢驗和限制呢?
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第五種力的檢驗
引力理論檢驗與衞星
第五種力?這個詞乍一看起來似乎很荒謬。我們早在高中物理課上就學過,自然界存在着四大基本作用力,那麼這所謂的第五種力是哪裏來的呢?
事實上,有一類被稱作“屏蔽修改引力”的引力理論,顧名思義,在這個引力理論之中,我們需要引入一些屏蔽機制,而第五種力就這樣應運而生。如果要具體講解的話,則需要一定的量子場論等方面的知識,因此在此我們只是簡單地介紹。一般來説,主要有三類屏蔽機制,即變色龍模型,對稱子模型和伸縮子模型。其中,變色龍顧名思義,即變色龍場依賴於物質的密度。因此,根據其在不同密度環境下的區別,就可以設計相應的實驗來對其進行檢驗。儘管最原始的屏蔽機制早已被排除,但是這並不影響人們進一步改進這一模型。
我們或許仍然是井底之蛙
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引力理論檢驗的其他方面
檢驗引力理論的方法遠不止我們提到的這些。宇宙學、脈衝星、雙星系統等也可以檢驗引力理論。這些方面除了我們之前提到的幾種框架之外,還包括宇宙演化等方面。試想,如果某個引力理論連宇宙的演化都難以描述,那麼這個引力理論顯然要回爐再造了。
另外,關於黑洞的探測也是近年較為火熱的話題,黑洞無毛定理的檢驗、對銀河系中心的觀測(事件視界望遠鏡)等,也對引力理論的檢驗大有幫助。
就在前幾天,PRL上面發表了兩篇關於引力紅移的文章,原來是衞星發射失誤,不得不從低軌道變軌到高軌道,就這樣逐步測量了引力紅移,將其精度大大提高,真是無心插柳柳成蔭。
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後記
在這一系列文章裏,我們跨越了100年的時間,從亞毫米級的對額外維度的探測,到光年之外的引力波信號,都做了簡單的介紹。可以説,檢驗引力理論,是一門大有可為的研究方向。
現代物理認為,儘管廣義相對論取得了巨大的成績,但是它遠不是最終理論。無論是在最小的尺度上,還是最大的尺度上,我們似乎都還有非常多修改的餘地。廣義相對論不能解釋奇點問題,也不能解釋宇宙加速膨脹問題,並且需要引入暴漲等理論來描述早期理論。至於終極理論到底存不存在,或者能否在我們這些人有生之年內看到,則是另一個問題了。目前,儘管弦論等方面的研究十分火熱,但是還是有很多科學家提出了與之不同的理論。
但是,不管怎麼説,無論哪種修改引力理論,都是在愛因斯坦的基礎上加以修正,其中大多數是直接在希爾伯特-愛因斯坦作用量上面進行修改,而無論哪種引力理論,都要在弱場低速的情況下,回到牛頓引力理論(當然,一般都有高階修正項)。另一方面,儘管很多人嘗試使用其他的幾何工具,黎曼幾何依然是引力理論的主流。此外,很多引力理論都是要遵循局域洛倫茲不變性的,而這正是洛倫茲和龐加萊等人的了不起的貢獻。每每想到這裏,我們都對牛頓、黎曼、愛因斯坦、希爾伯特、洛倫茲、龐加萊等這些高瞻遠矚的科學巨人欽佩不已。
關於引力理論檢驗的介紹,到此就先告一段落。作為一位這方面的初學者,小編也僅僅是剛剛入門而已,可以説是一邊學一邊寫,才完成的這個系列。希望讀者諸君不吝賜教。
引力理論仍有很多問題去研究
全文完
『天文時刻』 牧夫出品
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