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牺牲爱因斯坦 颠覆相对论基石

(文/Stuart Clark)科学家通常不太相信巧合。如果两件事情没有实际的联系,那就没人会有兴趣再深究它们。然而,如果巧合不断地发生,其中就必然会有一些潜在关联。科学的任务就是找出这些关联,并以此说明根本就没有什么巧合存在。

然而,现代物理学的一个庞大分支恰恰就摇摇晃晃地建立在一个巨大的“巧合”之上——这件事情实在是非常古怪。

这个巧合植根于我们看待和定义“质量”的方式之中。它涉及这个世界的运作方式,而且太过于基础,以至于我们中的大多数人每天都会遇到它,却从未产生过任何想法。不过,对于世界上一流的物理学家来说,这个巧合已经困扰了他们好几个世纪。伽利略和牛顿都跟它做过斗争,但最终也只能接受它的存在而无法解释它。爱因斯坦更向前进了一步:他宣称这是一种自然原理。接着,他以这个“等效原理”(equivalence principle)为基础,建立了迄今为止解释神秘引力的最佳理论——广义相对论。

但是,存在一个问题。如果我们想要找到某个更好更全面的理论,能够把引力与支配这个世界的其他作用力统一起来,等效原理就不能存在。我们必须破解这一巧合,或者更激进一些,重新考虑物理学应该要如何发展。

等效原理有很多个版本,但万变不离其宗:引力场对物体施加的作用,无法与加速运动产生的效果区分开来。爱因斯坦的一个思维试验可以把它解释清楚。设想一个人站在地球上的一部电梯内部,是什么使他稳稳地站在地板上?当然是无处不在的引力。现在,想象同一个人处在同一部电梯中,只不过电梯处在浩淼的宇宙深处,远离任何引力物体。一枚火箭推动这部电梯加速运动,加速度刚巧跟地球上的重力加速度相等。这位乘客仍然可以稳稳站在地板上,跟前一种情况完全一样。

为什么没有引力,情况也是一样呢?在这种情况下,使乘客飘不起来的是他的惯性。惯性是万物反抗加速的一种自然属性——当司机踩下油门的时候,你就会感受到惯性把你推到椅子背上。

在这两部电梯里,乘客都有一个共同的属性——质量。但这两个质量来源于完全不同的两个方面:前一个是引力质量,是对引力作用的某种反应,使物体在引力场中加速运动;后一个是惯性质量,体现了物体抵抗加速运动的能力。


爱因斯坦提出的等效原理,是他推导出解释神秘引力的广义相对论的重要基石。图片来源:新科学家

两个质量在数值上总是完全相等,这是等效原理的另一种表述方法。这个“巧合”可谓影响深远。如果这两个质量不相等,不同质量的物体在地球上就会以不同的速度下落,而不会在同一个引力场中以相同的方式加速运动。这种“自由落体的普适性”,最早是由伽利略检验过的,据说他曾在比萨斜塔上同时丢下了一袋羽毛和一袋铅块(当然,这只是个传说而已)。实际上,引力和惯性质量的等效会影响整个宇宙中所有的引力运动。打个比方来说,如果引力质量比惯性质量稍大一点,行星围绕恒星以及恒星围绕星系的旋转速度就要比现在稍快一些。

然而,没有任何显而易见的理由可以解释,为什么这两个质量就应该相等。但只有作出这样的假设,爱因斯坦才能把他那套时空拉伸和挤压的古怪想法发展完整,这还是1905年爱因斯坦提出狭义相对论时率先引入的概念。爱因斯坦设想:一个大质量物体(比如行星)压缩周围的空间,并且越靠近它,压缩的幅度就越大。随着某个物体落向这颗行星的表面,穿过这些被压缩的空间所需的时间就会越来越短——看起来就像是在加速运动一样。

古怪的力

到了1916年,这个想法引导爱因斯坦发展出了广义相对论。在广义相对论中,引力只是物体在逐渐被压缩的空间中作匀速运动而表现出来的一种“假象”。没有了引力,引力质量也就成了虚构的概念。宇宙中只剩下唯一一种质量还在发挥作用,它给物体赋予了惯性。等效原理背后暗含的“巧合”,就这样消失不见了。

广义相对论精确无比,经受住了迄今为止我们所作的全部检验,能够准确预言天体位置,在精密引导人造卫星方面也得到了应用。但是,它的一些古怪之处仍让物理学家不太舒服。在自然界中,物体之间的所有其他作用力都是通过极轻的粒子来传递的,比如电磁力就是通过交换没有质量的光子,在带电物体之间传递的。表面上看来,引力的作用方式并没有什么不同,似乎也应该通过这种方式传递才对。

于是,让引力与量子理论统一口径,就成了构建弦论和其他所谓的“万物至理”(theories of everything)等尝试的主导思想。但是,如果将引力重新划归为一种真实的作用力,就需要找到某种东西让它能够依附,就好像电磁力依附于电荷一样。换句话说,“真实”的引力需要依附于引力质量,这种质量必须与惯性质量分道扬镳才行。

这意味着,通往“万物至理”的路途上必须经过的第一步,就是牺牲掉爱因斯坦所钟爱的等效原理。“任何量子引力理论必定会在某种程度上违背等效原理,”英国剑桥大学理论物理学家本·格里派奥斯(Ben Gripaios)如是说。

那么,该怎么办呢?一种已经在尝试和检验的方法就是,试图证明两种质量并不完全等效,只是在数值上非常非常接近而已。它们之间哪怕只有一丁点儿的差别,就意味着广义相对论只是一个近似,意味着在更深的层次上必定存在一个更精准的理论。德国不来梅大学的克劳斯·拉默扎尔(Claus Lämmerzahl)说:“如果有人找到这个差别,我们就实现了重大的突破。”

实现这个突破的一种方法,与伽利略的“比萨斜塔实验”异曲同工,就是检验自由落体的普适性以及等效原理的其他推论,期望在其中找到一些细微的异常。不过,到目前为止,基本没有人成功(参见补充阅读“自由落体”)。


如果不同的物体在引力下以不同的速度下落,等效原理就被打破了。图片来源:Stefan Schmidbauer/ZARM

与此同时,理论学家也提供了另一条线索。他们指出,不论爱因斯坦所说的“引力并不存在”是否正确,现在还没有人能够给出一种令人信服的方式来解释惯性。“我们不知道如何定义惯性,”格里派奥斯说,“我们只知道它必定跟质量密切相关,但除非我们能够精确地定义它,并且知道如何去测量它,否则我们无法给出一套理论来解释它。”

可以确定的是,惯性并非全部来自质量的提供者——希格斯场(Higgs field)。2012年,在对瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机中粒子对撞产生的碎片进行仔细筛查之后,物理学家找到了希格斯场及其对应粒子存在的证据。尽管希格斯场被认为能够给电子和夸克之类的基本粒子赋予质量,但是在夸克结合成更重的粒子,比如构成普通物质的中子和质子时,质量会比夸克的质量之和多出上千倍。这些多出来的质量并非来自于希格斯机制,而是来自于使夸克结合在一起的能量。这两种效应必定通过某种方式结合,再配合其他东西,共同给物体提供了抵抗加速运动的能力。“希格斯机制不可能单独承担起赋予物体惯性的那个神秘角色,”格里派奥斯说。

接下来该怎么做?史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在上世纪70年代的工作提供了一条思路。讽刺的是,霍金当年提出这个想法的依据,正是等效原理的一个严格的推论。霍金当时正在研究黑洞的性质,这是一种密度高到难以想象的天体,它的存在正是广义相对论的一个核心预言。霍金提出,黑洞应该会向外发出的辐射,因为空间中不断产生的量子粒子对,在靠近黑洞的地方会被分开,一个被黑洞吸进去,另一个则被留在外面。于是,加拿大物理学家威廉·昂鲁(William Unruh)等人由此提出:如果引力和加速真的是一回事儿,那么在真空中加速运动的任何物体,也应该会发出类似的辐射。

和霍金辐射一样,昂鲁提出的辐射也没有被明确探测到过。要产生实验室里探测得到的辐射强度,物体的加速度必须非常高才行。不过也有人声称,在粒子加速器的强磁场中作加速运动的电子身上,他们已经观测到了这种辐射。

在昂鲁辐射被提出大约10年之后,德国马普学会地外物理研究所的天体物理学家伯纳德·海施(Bernard Haisch)和美国加利福尼亚州立大学长滩分校的电气工程师阿方索·吕埃达(Alfonso Rueda)意识到,真空与物体的相互作用并不只限于物体表面,而是会作用于整个物体——这就会在物体运动的相反方向上产生一个作用力。他们开创性地把这种力类比成洛伦兹力(Lorentz force),也就是带电粒子在磁场中运动时会感受到的那种力。这就相当于量子真空中的某种“电磁”相互作用。用海施的话来说,“这看上去刚好就是你们想要的惯性。”

反常加速度

英国普利茅斯大学的迈克·麦卡洛克(Mike McCulloch)认为,这样的相互作用也恰好是打破等效原理所必须的。昂鲁辐射有一个预言是这样的——就像炽热物体发出的热辐射一样,昂鲁辐射在不同波长上也有不同的强度。对于加速度很小的物体,它的昂鲁辐射对应的温度较低,会以超长波辐射为主。如果加速度确实非常小,有些辐射的波长就会比可观测宇宙的尺度还要大,因而会被有效地截断。

在这种情况下,根据麦卡洛克在2007年所做的计算,一个物体感受到的昂鲁辐射总量会有所下降,它受到的与加速方向相反的力也会减小。于是,它的惯性就会变小,要比标准的牛顿运动定律更容易移动——这样一来,惯性与引力质量的关联就被切断了。

这种观点的麻烦在于难以检验。在地球这种强引力环境中,小到能够产生可观测效应的加速度并不容易获得。但是在星系边缘那样的弱引力环境中,这种效应或许很容易看见。事实上,麦卡洛克注意到了大多数旋涡星系中出现的恒星运动异常,他提出这种机制或许可以解释另一个长期悬而未决的宇宙之谜——暗物质(参见补充阅读“暗惯性”)。

平心而论,这种观点并没有轰动世界。海施和吕埃达提出他们的机制之后,NASA立刻拨款支持他们作更进一步的研究,他们还从私人那里筹集到了大约200万美元的研究经费。但是,由于缺少可供检验从而证明他们观点正确的预言,这些经费和人们的兴趣很快就要耗尽了。

尽管如此,就连拉默扎尔这样的保守派也认为,我们不应当让这个想法从手中溜走。“虽然我更偏向于弦论,但是这些‘真空相互作用’的观点也并非一无是处,”他说,“我们必须认真地审视它们,看看它们能不能给我们带来新的方法,去检验等效原理。”

2010年,以巴西塔茹巴联邦大学的维托利奥·德洛伦西(Vitorio De Lorenci)为首的三位巴西天文学家提出了一个检验方案。他们提出,用一个旋转的圆盘来抵消地球在空间中旋转和移动所带来的加速运动。当加速度降到最小时,圆盘的惯性应该会降低,意味着它应该比牛顿定律得出的转速要快一些。尽管成本不高,但他们没能筹到经费来进行这项实验。

除非有人完成一项实验证明等效原理是错的,或者在理论上证明它必须是对的,否则这个死结就破解不开。但是,如果最终引力质量真的是惯性质量的另一种形式——先不去管惯性到底是什么——那么,被放到祭台上准备祭天的,就会轮到包括弦论在内的量子引力论了。通向“万物至理”的道路也会更加曲折。如果引力不是一种作用力,而真的像广义相对论描述的那样,是时空弯曲产生的一种幻觉,我们就必须从更深层次上去理解,是什么造成了这种时空弯曲。

只是巧合而已吗?这一回,连科学也没办法轻易反驳了。

 

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编译自: 《新科学家》 Sacrificing Einstein: Relativity's keystone has to go

 

补充阅读

自由落体

布莱梅大学的“自由落体塔”高146米,像一枚等待发射的白色火箭一样,竖立在德国北部的平原上。这座塔建成于1990年,隶属于应用空间技术与微重力中心(ZARM),可以提供长达9.3秒的自由落体用于各类实验(译者注:自由落体时间长为4.74秒,9.3秒是弹射了一个来回)。迄今为止,铷原子和钾原子自由落体实验已经证明,它们的运动方式与等效原理的预言没有差异。两种原子下落时的加速度,在小数点后前11位都相等。

在美国西雅图华盛顿大学,埃里克·阿德尔贝格尔(Eric Adelberger)和他的“Eöt-Wash”小组利用高精度扭秤,比较了由不同元素(包括铜、铍、铝、硅)制成的标准质量物块的运动方式。他们保持着这项实验的精度记录——在小数点后13位以内,没有发现与等效原理相悖的结果。

然而,总有一天,这些地面实验会面临碰壁的危险。阿德尔贝格尔说:“仪器设备已经很难再改进了。”在引力小得多的环境中做实验,会更容易发现与等效原理的偏差。由法国领导的MICROSCOPE任务计划在2016年发射,将在太空微引力环境下检验由铂和铱制成的物块的运动方式。ZARM的克劳斯·拉默扎尔说:“MICROSCOPE会比地面实验室的精度高100倍。”

他的团队正在“自由落体塔”中测试MICROSCOPE卫星的加速计,并为这颗卫星开发数据分析软件。欧洲航天局也在评估一项更精密的任务,名为“时空探索者及量子等效原理空间探测试验”(Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test)。他们将在今年年底确定是否为该项目投资。

暗惯性

上世纪30年代,我们发现星系围绕其他星系旋转时,并不遵从牛顿和爱因斯坦的引力定律。几十年后,在观测单个旋涡星系的自转时,类似的现象也被发现了——就好像有某种不可见的物质,施加了更多的引力,使我们看得见的物质旋转得更快了。

这个想法现在成了主流:标准的宇宙学教材会告诉你,“暗物质”(dark matter)与普通物质的质量比达到了5比1。尽管粒子物理学家提出了几乎是无穷多种假想粒子来解释暗物质,但迄今为止,还没有一种被确切地探测到过。

上世纪80年代,美国普林斯顿大学的物理学家莫尔德艾·米尔格龙(Mordehai Milgrom)提出了另一种观点:引力定律在星系边缘需要修正。对于星系外围正以极低的加速度运动的恒星来说,如果它们的惯性质量降低而引力质量不变,观测到的现象就可以得到解释——因为如此一来,它们自然会运动得更快。如果真空相互作用真能带来这样的效果,那么暗物质可能就是这种效果产生的假象。

The End

发布于2013-01-31, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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