广义相对论的理解

1、11、广义相对论的几个疑难问题1、暗物质的本质：现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗 能量。但是它们的起源仍然是个谜。我们能找到的普通物质仅占整个 宇宙的4%，各种测算方法都证实，宇宙的大部分是不可见的。要说 宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据 说明，事实并非如此。正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和 粒子物理学家开始合作，最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子：neutralino和axions （轴子），但这仅是物理学的理论推测， 并未探测到，据认为，这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光, 但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。天文学

2、家已经证明：宇宙中的天体从比我们银河系小100万倍 的星系到最大星系团，都是由一种物质形式所维系在一起的，这 种物质既不是构成我们银河系的那种物质，也不发光。这种物质 可能包括一个或更多尚未发现的基本粒子组成，该物质的聚集产 生导致宇宙中星系和大尺寸结构形成的万有引力。同时，这些粒 子可能穿过地面实验室。美国能源部LANL实验室的液体闪烁体中微子探测器、加拿大 Sudbury中微子观测站和日本超级神冈加速器实验的最新结果给出 有力的证据：中微子以各种形式“振荡”，因此必定会具有质量。 虽然质量很小，但宇宙中大量的中微子加起来可使总的质量达到相 当高。美国费米国家实验室新的加速器实验MiniBo

3、oNE和MINOS将 研究中微子震荡和中微子质量。尚未发现的其它粒子有可能存在，例如一种称为超对称的新对称 理论预言有一种大的新类型的粒子，其中有些可解释暗物质。现正 在费米实验室TeV能级加速器进行的和计划在CERN正建造的大型强 子对撞机（LHC）上开展的实验，以及地下低温暗物质寻找和空间利 用伽马射线大面积天体望远镜所进行的实验，目的都是要寻找超对 称粒子。阿尔法磁谱仪（AMS）安装在国际空间站上，寻找反物质星系和带有我们星系多数质量的神秘暗物质的任何证据。该项目由MIT 丁肇 中领导，国际上（包括中国）广泛参加。暗能量的本质。宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物 质还不足以解释宇宙

4、的结构，还有第三种成分，它不是物质而是某种 形式的暗能量。这种神秘成分存在的第一个证据，来源于对宇宙构造的测量， 爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的 总体形状由其中的总质量和能量决定。最近对大爆炸剩余能量的研究 显示，宇宙有着最为简单的形状一是扁平的，这也反过来提示了宇宙 的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加 起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了 2/3。第二个证据表明该成分一定是能量。对遥远超新星的观测显示， 宇宙扩张速度并不像科学家设想的那么慢；事实上，扩张速度正在 加快，宇宙的加速很难解释，除非有一股普遍的推动力持续将时空 结构向外推。最近

5、的实验表明，宇宙膨胀正在加速而不是放慢。这 一结论有悖引力具有吸引力的基本概念。如果这些测量成立，就能 量的物质形式存在，它的引力具有排斥性而不是吸引性。对膨胀率 的详细测量有助于对提出的各种解释暗能量的理论模型加以区别。 美国劳伦斯伯克力国家实验室（LBNL）超新星宇宙学项目的研究人 员，利用从观测1a型超新星得到的数据直接观测宇宙的加速膨胀。 要研究这种类型的超新星，必须观测大量的星系，因为每400年每 个星系才只有唯一的一种类型的超新星。这个合作组使用智利天体 望远镜、Keck天体望远镜和哈勃望远镜观测和收集1a型超新星的数 据。 到目前为止，利用哈勃望远镜仅对25个超新星进行了深入研

6、究。2003年1月，被称为“超新星工厂”开始利用近地星形描迹天 体望远镜（GLAST）观测Haleakala和Palomarl和II，每隔4夜获 得1a型超新星一个接近峰值亮度。这些观测每夜产生50千兆字节 的数据，由美国国家能源研究计算中心（NERSC）的超级计算机和法 国超新星观测组合作进行处理。NERSC超级计算机可产生模拟，支 持其他数据收集方法。通过超新星爆发中的中等大小的星，这些方 法可直接对从原始星到超新星爆发后核心的核合成进行测量。NERSC超级计算机产生的模拟也可用于LBNL超新星宇宙学项目 组领导的超新星加速探测卫星和高-Z超新星寻找组进宇宙加速膨胀 的研究。恒星、行星的形

7、成：天体的形成是天体物理学中的重要问题。适 合生物存在的行星，在银河系中出现的几率到底是多少？广义相对论：广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？标准模型：粒子物理标准模型无疑极为成功，但人们并没有 理解夸克和轻子的质量混合的物理起源和中微子的质量等。时空的观念:时空是什么？超弦理论最终可能会放弃时间和 空间这两个概念。7、相对论中的孪生子佯谬、不同时空之间的对钟难题该如何解 决？牛顿的绝对时间和空间与爱因斯坦的相对时间和空间之间存在 什么关系？光线在万有引力场作用下的弯曲现象，应理解为光子的 运动轨道弯曲呢？还是所谓的空间弯曲？8、是否存在额外的时空维度？对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：

8、空间是否不仅仅 限于我们能轻易观察到的四维，要确定这一点，我们可能首先要怀疑 自然是否是自相矛盾的：我们是否应该接受这样的观点，即有两种力 作用于两个不同的层面一重力作用于星系这个大层面，而其它三种 力作用于原子的微小世界？统一场论会说这是一派胡言一肯定有 一种方法将原子层面的三种力量与重力连接起来。这就将我们引向了 一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其它维的空间，开始的 宇宙线性理论模型将重力和其它三种力在复杂的11维宙中结合起 来，在那个宇宙也就是我们宇宙中一其中的7维隐藏在超乎想象的微小空间中，以至于我们无法觉察到，弄懂这些多维空间的一个 办法是，想象一个蛛网的一根丝，用裸眼来看，

9、这根细丝只是一维的， 但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物 体，线性理论学家说，我们之所以看不见其它维的空间，只是因为缺 少能将它们分解的精密仪器。我们可能永远无法直接看到这些多维空 间，但有了天文学家和粒子物理学家的仪器，也许可以找到它们存在 的证据。在试图引申爱因斯坦理论和了解引力的量子性质时，粒子物 理学家们假设存在着超出已知四维时空的高维时空。它们的存在对宇 宙的诞生和演化具有隐含，可能会影响基本粒子的相互作用，并改变 近距离时的引力。高能与核物理在弦理论方面的研究表明有额外维。TeV能级加速 器和其他对撞机的实验，通过寻找两个加速的粒子（如TeV能级加 速器的

10、质子与反质子）在对撞中产生粒子时丢失的能量，来寻找额 外维。9、什么是引力？在爱因斯坦改进牛顿的理论时，他扩展了重力的概念，将巨大 的重力场和以接近光速运动的物体都计算在内，这一扩展形成了著名 的相对论和时空理论，但爱因斯坦的理论没有涉及极小领域的量子力 学，因为重力在很小范围内可以忽略不计，而且还没有人对个别少量 的重力进行过试验性的观察。然而，自然界也有重力被压迫在小物体之内的极端情况，比如说， 在靠近黑洞中央的地方，大量物质被挤在量子大小的空间里，重力 就在很小的距离内变得非常强，大爆炸时期混沌的初始宇宙中一定 就是这种情况。黑洞在宇宙中普遍存在，可以探讨它们的巨大引力。 早期宇宙中的强

11、引力效应具有客观测到的重要性。爱因斯坦理论也 应适用于这些情况，正像它适用于太阳系一样。完整的引力理论应 该包括量子效应一爱因斯坦引力理论不包括一或不解释为什么它们 不相关。高能和核物理理论学家研究弦理论和额外维空间的可能性，有 助于解释引力的量子方面。像在费米实验室（左图）TeV能级加速器 和CERN的LHC上开展的实验将能够在未来几年内对一些这样的思想 进行检验。弦理论已经导致对黑洞的熵进行计算。10、中微子有质量吗，它们如何影响宇宙的演化？宇宙学告诉我们，当今宇宙中一定存在着大量的中微子。物理 学家们最近发现越来越多的证据，表明它们具有小质量。甚至可能 有超越现行标准模型3个以外更多类型

12、的中微子。加拿大Sudbury中微子观测站（SNO）发布的第一批结果和日本 超级神冈的实验结果，对丢失的太阳中微子进行的证据越来越多。 这两项实验均系国际合作，得到美国能源部的大力支持。称为MINOS的长基线实验，利用费米实验室中微子主注入器工程 建造的设备，寻找具有极小质量的中微子存在的证据。费米实验室 新的主注入器作为MINOS实验的中微子源，实验的长基线从这里开 始，探测器放在735公里之外的明尼苏达州北部原Soudan铁矿里。 （Soudan矿中现有1000吨探测器）参加MINOS实验的科学家们对从费米实验室出来的中微子和到 达Soudan铁矿中的探测器的中微子的特性进行测量和比较。这

13、两个 探测器中中微子相互作用的特点之别提供不同类型的中微子振荡的 证据，因此得出中微子质量。1995年美国LANL的液体闪烁器中微子探测器（LSND）发现了 谬子中微子变成电子中微子的证据。费米国家实验室有一台探测器 称为MiniBooNE，用来研究这一现象。因为更强的中微子束流，它比 LSND获得更多的数据。MiniBooNE的中微子束流由比LSND束流短约 10000倍强脉冲组成。这大大提高了实验将来自自然产生宇宙线相互 作用的束流感应中微子事例分开的能力。现行的理论假设中微子根本就没有质量。中微子具有质量要求对 理论进行修改，它起码有助于解释构成90%以上宇宙的暗物质。中 微子质量以及其

14、他所有轻子和夸克的来源，被认为是由因黑格斯玻色 子传递的“黑格斯潮引起的独特相互作用。这个玻色子是费米实验室 TeV能级加速器大力寻找的目标。如果找不到，可能会在CERN的LHC 上找到。能形成重元素的核反应也能形成大量奇异的亚原子群，即中 微子。它们属于轻子粒子群，比如常见的电子，P介子和t介子。因为中微子几乎不与普通物质发生相互作用，所以可以通过它们直接 看到星体中心，要做到这一点，我们必须能够捕捉到它们并对它们进 行研究，物理学家正在朝这个方向努力。不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明， 这些粒子可能也有些许质量，任何这方面的证据也可以作为理论依 据，找出4种自然力量中

15、的3种一一电磁、强力和弱力一一的共性， 即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子。11、为了能与地球近平直参考系中的实际测量结果进行比较， 必须将弯曲时空中对引力问题的计算换算成用平直时空中的标准尺 和标准钟（或局部惯性系的标准尺和标准钟）来计量。这在弯曲时 空引力理论中被认为是基本原则，但目前广义相对论对具体问题计 算的过程中却普遍地忽略了这个原则。采用标准尺和标准钟计算的 结果表明，水星近日点进动是实际观察值的4.8倍，而且方向相反， 雷达波延迟只是观察值的53%，这样的结果显然是根本不可能的。因 此广义相对论实际上并未得到实验证实，除非爱因斯坦引力场方程 描述的已经是平直时

16、空中的结果，不是弯曲时空中的结果，但这与 爱因斯坦弯曲时空引力理论的前提相矛盾。按爱因斯坦引力场方程计算，细圆环和双球体引力场中心 会出现奇点，表明时空奇异性是采用弯曲坐标的描述方法引起的， 不是自然本性。所谓奇异性黑洞、白洞和虫洞以及时间旅行等在自 然界中都是不存在和不可能的。由于地球观察者与宇宙物质间存在相对运动速度，描述膨 胀宇宙必须采用动态能量动量张量，不能采用静态能量动量张量。 采用动态能量动量张量后的计算结果表明，爱因斯坦引力场方程不可能用来描述均匀且各向同性膨胀的宇宙，现代标准宇宙学面临基 础缺失的危机。14、什么是奇点?对于宇宙学家、圆周研究所主任尼尔图罗克(Neil Turo

17、k) 宙创生之时，它处于温度和密度都无穷大的状态一一点，所有已 知的物理定律在那时都会失效。“我们不知道该如何描述它，”他 说，“任何一个囊括所有物理的理论怎么能不包含它？ ”为了避免 宇宙创生的奇点，他参与提出了 “火劫”理论。这一理论认为，我 们所处的世界是至少10维的宇宙中的一张低维膜，两个分立的三维 膜会沿着垂直的维度前后震荡。每一万亿年左右，这两个膜就会彼 此靠近并且碰撞，碰撞会释放出一个火球进而使得每个宇宙“重 生”。同时，图罗克还寄希望于弦理论以及相关的“全息原理”。 根据全息原理，一个三维的奇点可以被转换为二维空间中一个在数 学上更容易处理的东西。这也许意味着第三维和引力只不过

18、是一种 “幻影”。他说：“这些工具给我了一条思考这一问题的新途径， 并且它在数学上非常让人满意。”来说，让他无法入睡的问题则是世间一切的起始大爆炸。在宇李政道、杨振宁分歧，观点截然不同：2005年4月18日中 国科学报登载李政道、杨振宁的文章。李文认为广义相对论更重 要的作用是在21世纪，因为要弄清暗物质、暗能量的问题，还得靠 爱因斯坦的理论来指导；杨文却认为物理学的基本规律在20世纪， 已全部被发现了，21世纪将是基本规律在各领域的应用。去年，中 国科学报登载了我科学家挑战现代物理学“两朵乌云”，报 道由中科院多个研究所、上海交通大学、中国原子能科学院等多家 科研单位参与的国家“973”计划项目“暗物质、暗能量的理论研究 及实验预研”。认为19世纪末，