質量不僅能使時空彎曲,還能使時空扭曲的理論,同時解釋幾個宇宙之謎。然而,這是否屬實尚不得而知。要證明這一點,就必須推翻古老且經過充分檢驗的廣義相對論。
由阿爾伯特·愛因斯坦提出的廣義相對論假設,任何質量都會使時空彎曲。它會造成一種“壓抑”的空間和時間,都會被拉長了。這也是為什麼時間在大質量物體附近過得更慢。
廣義相對論經受了許多考驗。最近,科羅拉多大學波爾得分校天體物理研究所的研究人員進行了極其精確的測量。由10萬個鍶原子組成的原子鐘,能夠測量到地球表面一毫米的距離差異,地球引力對時間流逝的影響。
然而,相對論曾經受過許多考驗,他們每個人都順利通過了考試。至少,從現在的節點來看,這是最適合宇宙觀測的理論。
愛因斯坦被遺忘的理論,或者質量如何扭曲空間
很少有人知道,愛因斯坦也致力於對宇宙的一種略有不同的數學描述。他想描述的質量是扭曲時空,而不是彎曲時空。所以大質量物體周圍的時空不僅要彎曲,還要旋轉,這有點像一個大氣低谷,空氣圍繞它旋轉。愛因斯坦稱這個理論為遠端並行。
這種時空的質量扭曲不僅可以解釋重力,還可以解釋電磁力。遠端平行是一個“統一場論”,也被稱為萬物理論,物理學家嘗試用單一的模型來解釋宇宙中所有力量的作用。
愛因斯坦在1928年發表了他的論文,而他只考慮了重力。電磁學很難用時空扭轉的方程來描述。愛因斯坦的這一理論基本上被遺忘了。
遺憾的是,這一理論將解釋四種不同的悖論,而這四種悖論卻是當今物理學無法解釋的。
星系旋轉速度的問題
在20世紀70年代,人們觀察到星系中可見的物質太少,以至於星系在離心力的作用下不會坍塌。為了解決這個矛盾,物理學家假設“暗物質”的存在,它必須佔到宇宙質量的80%。這種粒子只能透過引力與“正常”物質相互作用,因此很難被探測到。到目前為止,還沒有發現他們的蹤跡。
宇宙在其最大的尺度上是均勻的。物理學家認為,他不可能以隨機和混沌的狀態出現。為了解釋這一點,他們假設了“宇宙膨脹”現象,在宇宙存在之初,它會迅速膨脹,以“消除”任何不均勻性。
在上世紀末,人們發現宇宙不僅在膨脹,而且膨脹的速度在加快。目前沒辦法解釋它為什麼會變得更快,所以物理學家假設存在“暗能量”來解釋這一點,目前並不清楚這種能量是什麼。
隨著測量技術的進步,測量宇宙膨脹或星系逃逸的兩種不同方法開始“分化”。該方法基於分析宇宙大爆炸留下的微波背景輻射,得出的結果比基於超新星觀測的方法平均低10%。
遠距平行理論描述了時空因質量而扭曲,它並不要求暗物質和暗能量的存在,它還解決了宇宙膨脹速度不同的問題。這種描述中的宇宙膨脹也有一個自然的解釋。簡單地說,重力改變時間和空間的方式與我們今天假設的不同。
此外,描述物質和能量如何受扭轉,比描述時空曲率更容易。如果距離很小,這兩種描述的差異可以忽略不計。它開始在比太陽系更大的尺度上變得明顯,這正是現代物理學面臨的最大問題所在
2018年,位於聖保羅的國家空間研究所(National Institute for Space Research)的物理學家計算出,時空因質量而扭曲,或稱遠距平行現象,可以解釋星系逃逸速度的不同測量問題。透過將其納入方程,超新星觀測和微波背景輻射的測量結果開始相互吻合。
在小範圍內,廣義相對論(廣義相對論)非常有效,它假設質量只會彎曲時空,但也許我們對它的研究還不夠透徹。因此,在2014年,出現了在STEP(等效原理的衛星測試)衛星上測試廣義相對論的想法,精確度達到萬億分之一(迄今為止最精確的測量已達到萬億分之一的精度)。
其思想是,相對論的基礎是引力和慣性質量的等價性。慣性力(加速度期間)和重力以相同的方式作用在物體上。因此,無法區分電梯是在失重狀態下漂浮還是在自由下落狀態下漂浮。
沒有特別的原因可以解釋,為什麼會這樣,物理定律並不禁止兩種質量不同。然而,更精確的測量結果表明,在相同的質量上,重力和加速度的作用之間存在細微的差別,那麼廣義相對論就需要被修正。如果發生這種情況,愛因斯坦提出了另一種選擇,它是一種以質量或遠距並行方式扭曲時空的現象。
但這可能證明廣義相對論只能在宇宙尺度上得到檢驗。不管怎樣,暗物質和能量的奧秘,膨脹,以及宇宙膨脹的不同速度最終都必須得到解釋。