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相对论一百年

斯托克霍姆—今年是爱因斯坦广义相对论诞生一百周年。这个伟大理论把引力描述为空间和时间的弯曲。但是,科学界总是发现,爱因斯坦的洞见给物理学家带来的问题与答案一样多。

寻找符合爱因斯坦方程的解——描述宇宙曲率的时空——十分困难,因此他的理论进展缓慢。进行早期研究和第一批决定性测试的科学家不得不使用逼近技术。科学界花了几十年时间才发展出归类和推导新解的技术。但是,如今我们已经知道了许多解,其他棘手问题,如两颗碰撞恒星的引力场问题,可以用计算机求得数值解来探索。

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爱因斯坦的理论不但描述了从我们的宇宙——从大爆炸到黑洞;它也教会了物理学家几何与对称的重要性——从粒子物理到晶体学都获益良多。但是,尽管爱因斯坦的理论与其他物理学理论有诸多相似之处,但它与解释原子和次原子级别物质的主要行为的量子力学格格不入。

根据爱因斯坦的理论,引力与其他为人类所知的物理力不同,它不是量子化的。它不受海森堡著名的不确定性原理的约束。穿越双缝的粒子的电磁场可以同时穿越两条缝。其引力等价物则不能。这一我们对引力的理解和物质的量子理论之间的不匹配给理论物理学家带来了极大的难题,因为这导致了数学上的矛盾。

显然,某些能够将量子理论与引力联系起来的知识我们仍然不知道,并且我们队空间、时间和物质的理解取决于这一联系。寻找一种与我们对量子物理学的理解相容的引力的描述方法将带来宇宙学革命,形成关于宇宙最初时刻的新的洞见,并提供作为所有现代物理学基础的理论的更深层次的理解。但是,尽管这一突破潜在影响无穷,并且一代又一代物理学家为此殚精竭虑,我们仍然不知道那种理论才是正确的。

与你在早晨起床时的感觉相反,引力是我们目前所定义的所有基本力中最弱的一种。让你的头发竖起来只需要几个电子的静电斥力,这样就能克服整个地球向你的头发施加的地心引力。在原子和次元子世界,引力与其他力比起来显得无关紧要。其他力都可以用量子理论来描述。

引力的弱性质导致我们很难测量它的量子效应;因此,我们无法获得实验数据指导物理学家研究这一迷失的理论。检测“引力子”——形成部分引力场的假象粒子——需要银河系那么大的粒子对撞机或质量与木星相当的检测器。这些实验目前仍远远脱离我们的技术能力,因此物理学家不得不首先解决数学矛盾,发展出弦论、圈量子引力和渐进安全引力等方法。但要想知道哪种理论描述了物理实际,最终要需要实验检验。

就这样,在过去十年中,物理学家已开始寻找量子引力的间接证据。研究者没有去试图检测引力场的量子,而是寻找其他表明引力被量子化的效应。这些测试工作很像是利用原子的稳定性作为间接证据证明电磁力的量子化。比如,一些科学家在寻找能模糊遥远星系影像或导致系统性扭曲的时空的量子波动的证据。另一些科学家在寻找对违反某些对称性的现象,这一现象让正常情况下不会发生的粒子衰减能够发生。其他科学家在寻找引力波检测器中的噪声或难以解释的量子相干性的丧失。

目前,这些尝试都没有发现想要的证据。尽管如此,它们还是带来了重要的发展,因为消极结果排除了一些似是而非的假说。此外,尽管研究者尚未发现支持任何一种理论的结果,但他们通过更好地定义任何引力的量子理论都必须考虑的观察标准推动的科学进步。

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在我们纪念爱因斯坦的成就的同时,我们也应该抓住这一机会赞美奋勇向前、试图回答爱因斯坦理论留给我们的问题的人的不屈不挠的精神。这一追求过程产生了硕果累累的研究领域,如宇宙学、数值广义相对论和量子引力。广义相对论给我们带来了虫洞、蒸发黑洞和大爆炸理论;它打下的基础让我们发现宇宙正在扩张并且所谓的系外行星远比所有人想象的都更常见;它彻底改写了我们对地球和宇宙的看法,甚至带来了宇宙到底是否唯一的问题。

如果研究者一直根据当前学术界通行的三年计划进行研究,所有这些进步都不会发生。因此,今年也许是一次感谢空想家的良机,他们知道,可持续进步取决于更好更新理论的发展,这些新理论的影响也许需要几十年才能了解——事��上,有可能继续分叉发展100年才行。