缘之空,世界在加快胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京

admin 1个月前 ( 04-13 06:02 ) 0条评论
摘要: 科学家根据弦理论提出,在可观测的最大尺度上,引力子可能逃逸到了额外维度中,引力因此变成了斥力。太长不看版:天文学家通常认为,暗能量导致了宇宙的加速膨胀。...

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国际为什么在加速胀大?把物质聚集成星系的引力为何阻止不了星系互相远离?科学家依据弦理论提出,在可观测的最大规范kinkcafe上,引力子或许逃逸到了额定维度中,引力因而变成了斥力。

太长不看版:

  • 天文学家一般以为,暗能奥格瑞玛破城者的荣耀量导致了国际的加速胀大。可是,引力规律在最大规范上失效也会发作相同的作用。

  • 大一统理论的领跑者——弦论提出了一种新的引力规律。弦论不只仅是描绘纤细规范的物理规律,它还能对微观国际发作影响。

  • 弦柯南凶恶论提出,国际存在一些一般物质无法进入,但引力或许能逃逸进去的额定维度。这种逃逸发作了不行康复的时空歪曲,然后构成国际加速胀大。它会对行星运动发作纤细的影响,并被观测到。

  • 其实也就不到6000字,仍是读一遍吧……

国际学家和粒子物理学家很少像今日这样烦恼。虽然规范国际模型得到了最近一些观测的证明,但它仍有一个大缝隙:没有人知道为什么国际正在加速胀大。假如你向上扔一块石头,它不会加速飞离地球,因为地球引力会让它上升的速度慢下来。相同,在国际大爆炸胀大中飞散的悠远星系,由小学女生胸于互相招引,互相远离的速度也应该会逐步慢下来。但事实上,它们正在加速远离。许多研讨人员将国际加速胀大归因于一种叫做暗能量的神秘物质,但鲜有物理学依据支撑这些精美的术语。仅有逐步清楚的是,在可观测的最远间隔处,引力以恰当古怪的办法起作用,它变成了斥力。

物理学规律以为,引力由物质和能量发作。因而,部分物理学家把这种古怪的引力归因于某种古怪的物质或能量,这便是暗能量的由来。但也有或许,这些物理学规律自身就需求改动。

多年来,物理学家现已提出了一些好像可行的量子引力理论,其间最著名的便是弦理论。当引力作用于微观间隔时,例如在黑洞中心,巨大的质量被压缩在一个亚原子体积的范围内,物质开端表现出奇特量子特点。弦理论正是描绘了引力规律在这一规范上怎样作用。

在较大规范上,弦论物理学家一般假定量子效应无关紧要。可是,最近几年的国际学苏椒5号发现要求研讨人员从头考虑这个假定。近20年前我和搭档提出,弦论不只会在微观规范上改动引力规律,在大规范上也是如此。之所以可以做出这种批改,是因为弦论引进了额定维度,即粒子可以运动的额定方向。与惯例的三维空间比较,弦论添加了6~7个维度。

曩昔,弦论物理学家以为这些额定维度十分小,人类无法看见,也无法进入。但最新的研讨进展显现,部分或一切的额定维度或许都是无限大的。咱们看不见它们,并不是因为它们太小,而是因为组成咱们身体的粒子被约束在惯例的三维空间中。一种可以逾越这一约束的粒子便是传达引力的粒子。在这种情况下,引力规律需求做出批改。

来自虚空”的精质”

当天文学家发现国际在加速胀大时,他们的榜首反响便是把它归因于所谓的“国际学常数”。众所周知,这个保剑峰常数最早由爱因斯坦引进,但后来又被他自己扔掉。国际学常数标明空间自身内含的能量。即使是不包括任何物质、彻底虚空的空间,依然包括这些能量,约每立方米10^-26千克。虽然国际学常数与现在一切已知数据符合,许多物理学家仍对它不满足。原因便是,物理学家无法解说它为何如此之小,小到它对大部分国际前史都没有影响,包括国际构成的前期阶段。更让人难以承受的是,它比发作它的物理进程的能级还起重机减速机要小得多。

为了处理这个问题,许多物理学家提出,国际加速胀大并非由空间自身引起,薄雾相同充溢空间的能量场才是元凶巨恶。某些在空间中均匀散布的场,其势能有着跟国际学常数十分相似的作用。其间有一种叫作“暴胀子”的场,被以为早年驱动了前期国际的加速胀大阶段,即国际暴胀。或许另一个相似的场现已昂首,正驱动国际进入另一个暴胀进程。第二种场被称为“精质”(quintessence)。和国际学常数相同,它有必要具有十分小的数值。但这一理论的支撑者以为,与静态的常数比较,要解说一个十分小的动态物理量应该更简略一些。

无论是国际常数仍是“精质”,都归于暗能量的广义领域。到现在为止,二者依然短少令人信服的解说,这也是为什么物理学家正在仔细考虑更高维度的理论。额定维度理论的诱人之处在于,它们能自可是然地改动引力的行为。当引力按邪琉璃照牛顿理论或许广义相对论起作用时,其巨细与物体之间间隔的平方成反比。原因可以用简略的几许学来解说:引力的巨细取决于引力线的密度。跟着间隔添加,这些引力线将在一个不断变大的鸿沟上散开。在三维空间,该鸿沟是二维外表,即一个面,它的巨细跟着间隔平方的添加而增大。

但假如空间是四维的,那么它的鸿沟将是三维的立体空间,其巨细跟着间隔的立方改动。这种情况下,引力线的密度将随间隔的立方而削减。因而,在相同间隔处,四维空间的引力将比三维国际更弱。在国际规范上,引力的削弱将导致国际胀大加速,原因我会在后面评论。

(点击可检查大图)

假如引力能自在进额定空间,那为什么咱们曾经没有发现呢?为什么规范的三维空间平方反比规律能如此精确地解说棒球、火箭和行星的运动呢?在弦理论中,传统答复是这些附加维度是紧缩的,曲折成有限、细微的圆圈。很长的时刻里,物理学家一向假定这些圆圈的巨细便是所谓的普朗克长度,大约10^-35米。可是最近的理论和试验研讨标明,它们有或许大到0.2毫米。假如这些维度是曲折的,那它们仅能在与紧缩维度的半径恰当或更小的小规范内搅扰引力的作用。在更大规范范围内,规范的引力规律依然建立。

监狱日子

可是,紧缩维度理论也有它的费事。例如,人们会问,为什么有些维度(额定维度)紧紧扭成结,而另—些(惯例维度)却能无限延伸?换言之,在国际中物质和缘之空,国际在加速胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京能量的影响下,除非有什么东西可以使它们安稳,不然曲折维度应当伸直。一种风趣的或许是,弦理论猜测的一种相似磁场的场可以避免空间维度缩短或许胀大。另一种或许的处理计划呈现在1999年:包括额定维度在内,一切维度的巨细或许都是春色撩人无限的。可观测的国际处在更高维度国际内的三维外表上,也便是薄膜(简称“膜”)whc减速机。惯例物质被捆绑在膜上,可是有些力,例如引力,可以逃逸出去。

引力之所以可以从膜上逃逸,是因为它与其他力有缘之空,国际在加速胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京着本质上的不同。依据量子场论,引力是由一种特别粒子——引力子发作的。两个物体互相招引,是因为引力子在它们中心活动,就像电场力或磁场力是由两带电粒子之间的光子活动所发作的相同。当引力处于静态时,引力子是“虚”的。虽然可以丈量其作用,但它们无法作为独立粒子被观测到。太阳能将地球捆绑在其公转轨迹上,是因为它发射出的虚引力子被地球吸收了。能被直接观测到的“实”引力子对应于某些事情宣布的引力波。

依据弦理论的设想,引力子与其他一切粒子相同,终究可以归为细弦的振荡。但电子、质子和光子是开弦的振荡,像小提琴弦,而引力子则是闭环的振荡,像橡皮圈。来自美国科维理理论物理学研讨所的约瑟夫波尔金斯基(Joseph Polchinski)曾标明,开弦的结尾不能自在移动,它们应当捆绑在膜上。假如你企图将开弦从膜上拉出来,它会变长,就像一根弹性绳,但依然保持在膜上。相反,像引力子这样的闭弦不会固定在膜上,它们可以自在漫游整个十维空间。

当然,引力子也不是绝对地自在。假如那样,规范引力规律会显着失效。无限维度假说的创始人,哈佛大学的莉萨兰德尔(Lisa Randall)和约翰斯霍普金斯大学的拉曼桑壮(Raman Sundrum)以为,引力子被捆绑是因为额定维度与惯例的三个维度不同,它们严缘之空,国际在加速胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京重歪曲,发作了难以逾越的峻峭深谷。

关键在于,因为额定维度严峻歪曲,虽然它们在广度上是无限的,其体积实际上是有限的。无限空间怎样或许会寻芳习家池有一个有限的体积呢?幻想向一个无底的马提尼玻璃杯中倒傲翔万里杜松子酒,酒杯的半径与深度成反比而不断缩小。要添满酒杯,只需求有限的杜松子酒。因为酒杯是曲折的,其体积会集在杯顶邻近,这与兰德尔-桑壮理论很相似,额定空间的体积会集在膜上。因而,引力子在大多数情况下只呈现在膜上。跟着与膜间隔的添加,找到它们的概率就敏捷减小了。用量子理论的术语来说便是,引力子的波函数在膜上到达峰值,这也被称作引力局域化。

虽然在概念上与紧缩维度不同,兰德尔-桑壮理论得出了许多相同的成果。由缘之空,国际在加速胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京于这两个模型都是在小规范,而不是微观规范上改动了引力规律,因而都未能处理国际为何会加速胀大的难题。

膜上的物理学

可是,现在呈现的第三种理论猜测,规范引力规律将在国际规范上失效,并且无须凭借暗能量就可以解说国际的加速胀大。2000年,本文作者与美国纽约大学的搭档格雷戈里加吧达泽(Gregory Gabadadze),马西莫波拉蒂(Massimo Porrati)提出,额定维度与咱们日常所看到的三维空间彻底相同,它们既不紧缩也没有严峻歪曲。

即使这样,引力子也不能彻底自在地随意去任何地方。引力子由膜上的恒星或其他天体宣布,它们可以逃逸到额定维度上,但只要当传达间隔超越临界间隔时才可以。引力子的行为就像金属片上的声波。用锤子击打金属片发作的声波,并非只在金属的二维外表传达,还有部分能量丢失到周围的空气中去了。在锤子击打的方位邻近,这些能量可以疏忽不计。可是在远处,丢失的能量则明显添加。

关于物体间隔超越临界间隔的引力而言,这种逃逸具有深刻影响。在物体之间传递的虚引力子会沿着一切或许的途径传达,逃逸进程打开了通向多维空间的通道,然后让引力规律发作改动。对咱们这些被捆绑在膜上的人而言,逃逸的实引力子就永久消失了,就像烟雾散失于淡薄的空气傍边。

同紧缩假说和兰德尔-桑壮理论相同,在第三种理论中,额定维迷妹导航最度在细小规范上也能显现它们的存在。而在比弦规范大,但比引力逃逸间隔小的中心间隔上,引力子只在三维空间传达,近似地遵照规范引力规律。

这幅图景的正确与否在于膜。就膜自身而言, 它是一种物质爱情面包房,引力在膜上的传达与在周围空间的传达是不相同的。原因是,电子、质子等一般粒子只可以存在于膜上。即使是看似空无一物的膜,其间依然包括有络绎不绝的虚电子、虚质子以及其他粒子,它们在量子涨西门无恨之无恨泪落中不断呈现再湮灭。这些粒子都能发作并呼应引力。相反,膜周围的空间是真实的虚空。引力子可以在其间漫游,但除了互相互相作用之外,再没有其他物质可以互动。

咱们可以幻想膜里边充溢了带有正能量和负能量的虚粒子,在外加引力场的作用下,膜会发作引力极化,正能量和负能量粒子将会稍微分隔。假如发作振荡引力场的引力子的波长处于恰当范围内,依据咱们的核算,大约在0.1毫米(或许更小,取决于额定维度的数量)到100亿光年之间,那么它就能让膜极化并被抵消掉。

这种抵消只是发作在进入或许脱离膜的引力子身上。和光子相同,引力子是横波,振荡方向与传达的方向笔直。进入或脱离膜的引力子倾向于推进粒子沿着膜运动,这也是粒子可以移动的方向。因而,这些引力子能让膜极化,然后被抵消掉。而沿着膜移动的引力子则倾向于推进粒子脱离膜,这是粒子不能进入的方向。因而,这些引力子不能使膜极化,它们可以没有阻碍地移动。实际上,大多数引力子介于这两种极点景象之间。它们以与膜成斜角的方向穿越空间,在被抵消之前或许现已行进了几十亿缘之空,国际在加速胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京光年。

曲折的膜

这样,膜将自己维护起来,免受额定维度的影响。假如一个中等波长的引力子企图进入膜或从膜上逃逸,膜中的粒子就会从头散布,然后抵消影响。引力子只能沿着膜移动,因而引抽身张晓光力遵照平方反比规律。可是,长波长引力子却能自在穿越额定维度。在短间隔上,这些引力子没有什么影响。但在与其波长恰当的间隔上,引力子将起主导作用。此百骨夜宴时,膜不行避免地要遭到额定维度的影响。 引力规律将遵守立方反比规律 (假如只要一个额定维度是无限的)、四次方反比规律(假如有两个维度是无限的),或许更高次方反比规律。在一切这些景象中,引力的巨细都被削弱了。

塞德里克德法耶(Cedric Deffayet)、加吧达泽和我发现,额定维度不只削弱了引力的巨细,并且无须暗能量的存在就能驱动国际胀大的加速。好像可以说,引力逃逸削弱了阻碍国际胀大的引力拖曳,直至减速作用变成负的,也便是变成了加速。要了解这种奇妙的效应,咱们需求理解引力逃逸是怎样改动广义相对论的。

爱因斯坦提出的广义相对论的中心思维是:引力是时空曲折的成果,时空曲折的曲率与它包括的物质和能量的密度有关。太阳招引地球是因为它歪曲了邻近的时空。没有物质和能量就意味着没有时空曲折和引力。但在高维国际的理论中,时空曲率和物缘之空,国际在加速胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京质密度的联络发作了改动。额定维度在引力方程中引进了一个批改项,以保证彻底不含物质和能量的膜的曲率不为零。成果便是,膜遭到引力逃逸的拉扯,发作了与物质和能量密度无关、并且无法消除的时空曲折。

咱们国际的粒子可以从头排列以抵消某些波长的引力子对膜的拉扯。可是,低动量(长波)引力子却能随意进出膜。太阳开释“虚”引力子,发作对地球的引力。这些引力子波长相对较短,因而无法逃离膜。对它们来说,额定维度等同于不存在。

两个悠远星系开释长波引力子(低动量)。这些引力子可以逃逸到额定维度,引力规律也随之发作改动,削弱了星系之间的引力。

跟着时刻的推移,物质和能量逐步在国际胀大中稀释,它们发作的曲率也在减小。此刻,这种无法消除的时空曲折就变得越来越重要,并导致国际的曲率终究挨近一个常数。假如国际中充溢一种不随时刻推移而稀释的物质,也会发作相同的作用。这种物质不是其他,正是国际学常数。因而,膜上这种无法消除的时空曲折就像是国际学常数,推进着国际加速胀大。

不合惯例的理论

咱们的理论并非仅有假定规范引力规律在大规范上失效的理论。2002年,法国高级科学研讨院的蒂博达穆尔(Thibault Damour)和安东尼奥斯帕帕佐格卢(Antonios Papazoglou)以及牛津大学的伊恩科根(Ian Kogan)提出,存在一种特其他引力子,它有着细小的质量。物理学家很早就知道,假如引力子有质量,引力就不再遵照平方反比规律。它们不安稳并且逐步衰减睡神me,有着与引力子逃逸简直彻底相同的作用:引力子在长间隔传达后会消失,引力削弱,导致国际胀大加速。芝加哥大学的肖恩卡罗尔(Sean Carroll)、维克拉姆杜复里(Vikram Duvvuri)和迈克尔特纳(Michael Turner)以及锡拉库扎大学的马克 特里登(Mark Trodden)引进了几个与时空曲率成反比的小附加项,对爱因斯坦的三维引力理论进行了批改。在前期国际中,这些附加项可以疏忽,但尔后它们却能让胀大加速。其他研讨小组也提出要批改引力规律,但他们的计划仍需求引进暗能量来解说国际胀大的加速。

观测是一切这些模型的试金石。超新星巡天就可以供给一个直接的查验办法。引力逃逸理论描绘的国际从减速到加速胀大的过渡与其他暗能量理论描绘的彻底不同。超新星观测精度的进一步进步将有助于区别这些理论。

行星运动供给了另一种查验办法。与一般电磁波相同,引力波也有首选的振荡方向。广义相对论答应存在两个首选方向,但其他备选的引力理论答应存在更多的首选方向。这些或许性以弱小却不行疏忽的办法改动了引力的巨细,行星的运动会因而有所改动,并被观测到。来自纽约大学的安德烈格鲁济诺夫(Andrei Gruzinov),毛蒂奥什扎尔达利亚加(Matias Zaldarriaga)和我核算出,引力逃逸将使月球绕地轨迹发作缓慢的进动。月球每完结一次绕地公转,它的近地点将违背大约一万亿分之一度,约0.5毫米。这一改动简直现已大到可经过月球测距试验丈量出来,即经过阿波罗号航天员留在月球外表的镜子反射激光束来监测月球轨迹。现在,月地间隔丈量精度可到达1厘米。华盛顿大学的埃里克阿德尔贝格尔(Eric Adelberger)和搭档提出,运用更强功率的激光可以将灵敏度进步10倍。航天器盯梢也可以发现火星轨迹相似的进动。

看到做观测的研讨者开端重视并讨论怎样查验弦理论让人兴奋不已。多年来,弦理论一向被以为是归于细小规范的理论,小到无法用试验证明它正确与否。或许,国际加速胀大是一次可贵的机会,一份上天的礼物,让咱们可以一窥额定维度的相貌。弦理论或许是衔接极大与极小规范的桥梁,而国际的命运正维系在这跟弦上。

撰文:格奥尔基德瓦利(Ge缘之空,国际在加速胀大,是因为引力逃到了高维空间?,东京orgi Dvalihrf3205)

翻译:姜超


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修改:Quanta Yuan

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