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在他晚年,阿爾伯特·愛因斯坦把他的時間都花在風車上,試圖統一所有的自然力。他失望地死去,將一個巨大的遺憾留給了後人。

隨著一小群理論物理學家重溫他的舊思想,愛因斯坦的遺憾可能會被實現。它不一定能把宇宙所有的力量聚集在一起,但它可以解釋現代科學麵臨的一些最緊迫的問題。

愛因斯坦的遺憾

人類已知最成功的引力理論是愛因斯坦著名的廣義相對論。從表面上看,廣義相對論看似簡單。宇宙的所有戲劇都發生在稱為時空的四維大舞臺上。物質和能量,就是宇宙中的男女演員,他們到處跑來跑去。物質和能量使時空變形,導致時空扭曲。這種扭曲反過來又告訴物質和能量如何運動和轉換。

愛因斯坦的理論已經通過了每一次觀測測試,這就是為什麼它自誕生以來存活了一個世紀。它預測並解釋了宇宙中的奇怪現象,包括光在大質量物體周圍的彎曲和黑洞的形成。

但是,我們知道它有缺憾。雖然廣義相對論認為黑洞應該存在,但當它試圖描述黑洞的奇異中心時,它就完全崩塌了。在量子力學占主導地位的亞原子尺度上,我們沒有對引力的描述。在這個尺度上,當引力變得既強又短的時候,廣義相對論甚至不能做出預測,數學也支離破碎了。

在這些地方我們知道廣義相對論崩潰了。但除此之外,天文學家還注意到了兩種現象,這兩種現象也不能完全用廣義相對論來解釋:宇宙中的大多數物質(所謂的暗物質)並不與光相互作用;宇宙的膨脹每天都在加速(這被認為是由迄今未知的暗能量引起的)。為了解釋暗物質和暗能量,我們有兩種選擇。要麼廣義相對論是完全正確的,但我們的宇宙充滿了奇怪的新物質,要麼廣義相對論完全錯了。

時空的扭曲

愛因斯坦本人試圖突破廣義相對論的極限。他沒有著眼於黑洞奇點或加速宇宙的謎團。他試圖將所有(已知)物理定律統一到一個單一的數學框架中。在他的算式中,一邊是引力,以他現在著名的廣義相對論為代表,另一邊是以麥克斯韋方程為代表的電磁學,它描述了從磁鐵、電流到光本身的一切。

他試圖建立涵蓋一切的理論,愛因斯坦介紹了廣義相對論2.0。相對論1.0只關心時空的曲率。廣義相對論2.0需要關注時空的扭曲。在引力的世界中,只需要曲率就可以解釋。但廣義相對論2.0,愛因斯坦需要解釋的不僅僅是引力,他還必須考慮到其它的效應。

愛因斯坦曾希望時空的扭曲能以某種方式與電磁學聯絡起來(就像時空的曲率與引力有關一樣),但遺憾的是,他找不到任何解決辦法,他的新理論也隨之夭折了。

但其他物理學家從未放棄這個夢想,他們一直試圖統一物理學。最成熟的概念之一叫做弦理論,它聲稱所有的粒子都是微小的振動弦。我們的宇宙有額外的空間維度,它們都是微小的,捲曲的。

弦理論並沒有建立在愛因斯坦關於時空扭曲最初想法的基礎上,但是現在物理學家們重新審視了這個古老的概念,即所謂的遠平行引力。

遠平行重力透過將重力重新解釋為扭轉而不是彎曲的偽像,為解決廣義相對論中的許多長期問題提供了一條途徑

“遠距平行線”這個名字來自愛因斯坦的原著,他在他的幾何框架中研究了遙遠平行線的性質,探索了時空的彎曲和扭曲如何影響物質和能量的運動。現在的物理學家認為遠平行引力不能統一物理學(甚至愛因斯坦本人最終也放棄了這個想法),但它可能是一個新引力理論的有趣候選。

這是因為理論家們一直在用遠平行引力來解釋宇宙的加速膨脹,宇宙大爆炸後宇宙膨脹的早期,稱為“膨脹”,以及最近的一些問題,比如觀測到的宇宙膨脹率的不同測量值之間的衝突。換句話說,遠距離平行重力已經被證明是相當有預測力的。

但是那些關於統一理論的早期夢想呢?遠平行引力可能是一個有趣而有用的新方法,但它並不能使我們更接近於理解一個更基本的物理定律。相反,物理學家們一直在使用弦論的語言來完成這項工作,所以自然而然地出現了一個問題:弦論作為聲稱是萬物的終極理論,是否以任何方式與平行引力有關?換言之,如果遠平行引力能夠潛在地解決所有這些棘手的問題,比如暗物質和暗能量,那麼它是作為弦理論的一個分支呢,還是它們是毫不關聯的兩套理論?

最近,理論物理學家已經開始將遠平行引力與弦理論聯絡起來,為弦理論提供了一個支撐。在他們的工作中,他們展示了平行重力是如何由弦理論產生的。這是一個重要的見解,因為弦理論應該能夠解釋所有的物理定律,如果遠平行引力是廣義相對論的一個更好的版本,並且最終證明是正確的,那麼你應該能夠從弦理論的數學推導得出遠平行性。

如果遠平行引力被證明是解釋廣義相對論目前的一些缺點的一個有用的方法,並且我們可以從弦理論中推匯出來,那麼這向實現愛因斯坦最終統一夢想前進了一小步。

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