如何檢驗引力理論（一）

　　牧夫天文論壇 2018-10-28 07:00:00

　　原標題:如何檢驗引力理論（一）

　　

　　周一·最新發現 | 周二·牧夫專欄

　　周三·太空探索 | 周四·觀測指南

　　周五·深空探測| 周六·茶餘星話 | 周日·天文周曆

　　學過高中物理的讀者都知道，我們生活的世界有四大基本作用力（所謂的第五種力還不能確認），即強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力。引力是人類最早認識到的相互作用，但是關於它的本質，直到今天我們還沒有一個明確的答案。牛頓萬有引力雖然能夠解釋大多數天文觀測現象，但是在水星進動等問題上遇到了難以解決的困難；廣義相對論雖說克服了牛頓引力的大多數困難，但是仍有不可迴避的理論問題。那麼，最完美的引力理論究竟藏在哪裡呢？

　　很遺憾，這個問題世界上沒有人能給出答案。但是，儘管我們不知道問題的答案，我們卻知道如何排除那些不可靠的引力理論。接下來幾周里，小編將寫一系列關於引力理論的檢驗的科普文章，帶領大家走近這個熟悉而陌生的研究領域。

　　

　　維基百科中修改引力理論的熱詞圖

　　01

　　引力理論知多少

　　說了這麼多，我們要檢驗的對象究竟有哪些呢？

　　廣義相對論取得了巨大的成功，它和量子場論是現代物理學的兩大支柱。因此，物理學家們為了超越愛因斯坦，在廣義相對論上面不斷做手腳，試圖把這個已經非常美好的理論變得更加完美。我們將這一系列理論稱作修改引力理論。

　　那麼到底該怎麼修改呢？

　　我們首先先要知道愛因斯坦的基本假設，下圖給出了愛因斯坦場方程，但是大家沒必要去理解它，就當一幅畫就好，接下來我們要知道怎麼在這幅畫上面做文章。

　　

　　這是愛因斯坦基於廣義相對性原理、等效原理、馬赫原理等基本假設，讓牛頓引力進化而成的美妙的引力理論。我們先舉一個最簡單的例子來修改它，那就是f(R)引力理論。顧名思義，大家看到上圖中的R了吧，我們這裡把它推廣為R的某種函數，至於到底什麼形式的函數，那就看你的咯，當然這種形式的理論能不能解釋觀測現象另一說。下圖是兩種引力理論的比較，大家只要看出其明顯的不同就可以。

　　

　　顯然，相比之下，廣義相對論，要簡潔明了很多。這也是愛因斯坦如此偉大的原因之一。修改引力理論幾乎無一例外地將原本的愛因斯坦場方程變得複雜許多。

　　

　　這還只是一部分修改引力理論

　　認識一些陌生的事物最好的方法，就是對它們進行分類。為了整體認識修改引力理論，我們也不妨對修改引力理論進行分類。

　　首先，我們知道，我們生活在四維時空中，那麼是否有五維時空、六維甚至更高維呢？我們雖然很難直觀感受到，但是這不意味著我們就可以輕易否定它們的存在。因此，第一大類修改引力，就是高維引力理論。這其中包括高維引力的雛形，為了把電磁相互作用統一進去的卡魯扎-克萊因引力理論。說來有趣，這個引力理論被提出的時候，人類還不知道強、弱兩種基本作用，只知道電磁相互作用和引力相互作用。這是個五維理論，額外的維度是人類難以直接感知的。除了卡魯扎-克萊因引力之外，還有洛夫洛克引力理論、膜世界理論等。

　　原則上講，我們想構造多少維，就可以構造多少維。大家最常聽說的高維理論，莫過於超弦理論、弦論、膜理論等一系列讓人不明覺厲的名詞了。事實上，這些理論已經不僅僅是一門引力理論。而大家也肯定聽過10維、11維、26維等說法，那麼這些理論到底是多少維度呢？小編把證明方法放在了天文濕刻裡面，涉及的不明白的數學和物理，大家不妨就直接默認好了。這裡給出答案：弦論是26維、超弦理論是10維、膜理論是11維，這都是對稱性的必然結果。

　　除了高維引力理論，還有高階引力理論以及附加額外場的四維引力理論，那麼這些理論又有什麼有趣的內容呢？我們下周繼續談論。

　　未完待續

　　- e n d -

　　作者：王紀堯

　　配圖：王紀堯

　　排版：王紀堯

　　責任編輯：解仁江

　　牧夫新媒體編輯部