暗物质和暗能量，广义相对论真的无能为力吗？

bushuang

迄今为止，爱因斯坦的广义相对论是最为成功的引力理论。过去100多年来，大量的实验表明，这个引力理论对太阳系中引力现象的预测与实际观测结果完全吻合，例如，最近几年刚刚直接探测到的引力波和黑洞都在广义相对论的预言之中。

然而，当天文学家把望远镜对准更远的宇宙时，就会出现问题，例如，星系中恒星的旋转速度比预期的更快，星系团中的星系运动速度也快于预期，宇宙空间的膨胀速度正在加快。广义相对论没有告诉我们发生了什么。

物理学家把这些令人困惑的现象归因于两种新假设的东西：暗物质和暗能量。星系中的恒星与星系团中的星系运动速度过快，它们需要额外的引力来束缚，这个引力被认为是由暗物质产生的。另一方面，空间的加速膨胀被认为是能够产生负压力的暗能量所驱使的。这两种东西最初并没有出现在爱因斯坦的原始方程中，它们被提出的唯一目的是消除预测和观测之间的不匹配。

不过，暗物质和暗能量其实不是什么新事物。自20世纪30年代以来，天文学家就已经发现暗物质存在的证据。而在1990年，暗能量就已经引起了天文学家的注意。

自那以后，暗物质和暗能量成了现代宇宙学的最前沿课题，天文学家一直在尝试解答以下最为棘手的问题：暗物质是由粒子组成的吗？如果是，又是什么类型的粒子？我们该如何测量它们？如果暗物质不是由粒子组成，那么，我们该如何改变广义相对论来修正测量的误差呢？暗能量可能是一种新的场吗？或者暗能量也是由某种粒子构成的吗？暗物质与暗能量是否有关系呢？

为了回答这些问题，科学家提出了数百种假设。但直到现在，仍然不知道答案。

这已经够糟糕了，但真正让人夜不能寐的是，也许成千上万的物理学家只是用了错误的方程，得出了错误的结论。这不是说广义相对论需要修改，而是物理学家一开始就错误地使用了广义相对论方程。

在广义相对论中，空间和时间的曲率与物质和能量有关。如果把物质和能量分布在时空中，引力场方程会告诉我们空间和时间的反应，以及物体如何根据这种反应进行运动。

然而，广义相对论是一个非线性理论，这意味着如果引力场方程有两个解，它们之和并不是方程的一个解。

当我们想要解释一个星系或星系团，甚至整个宇宙的行为时，我们所做的不是把每一颗行星和恒星的物质和能量都代入引力场方程种，因为这在计算上是不可行的。相反，物理学家用物质和能量的平均值作为引力的来源。

不用说，如果在方程的一边取平均值，也需要在方程的另一边取平均值。但由于引力部分是非线性的，所以它不会给出我们在太阳系中使用的方程：变量函数的平均值与变量平均值的函数是不一样的。然而，当在大尺度上使用广义相对论时，物理学家假设是一样的。

因此，我们十分清楚，从严格意义上来说，我们使用的方程是错误的。那么，最大的问题是，到底有多错？

当有人问起这个问题时，通常会被告知这些方程不会有什么错，而是很好用。这是因为物理学家所用的方程和应该用的方程之间的差异是可以忽略的，考虑到引力在所有这些情况下都很弱。然而，这个论点已经受到了质疑。只是直到今天，争论仍未解决。

无可否认，这是一个乏味的研究课题。这是技术性的问题，大多数物理学家都选择忽略了它。因此，成千上万的物理学家简单地假设平均值的修正项可以忽略不计，只有极少数的人试图确保这个假设实际上是正确的。

显然，天文学乃至物理学的重大突破就在于解决暗物质和暗能量的问题。在未来很长的一段时间内，暗物质和暗能量将一直是最前沿的研究课题。


原文地址：今日头条