科學也可以如此靠近

一個5維黑洞揭示愛因斯坦理論的黑暗處,未探索角落和裂痕


2018年4月06日13時 今日科學 劉峰賓
劉峰賓

藝術家用誇張的手法概念顯示了黑洞的周圍環境,包括其吸積盤,噴氣和磁場。

新的研究表明,環形的五維黑洞可能會打破愛因斯坦的廣義相對論。當然,現在這些5維「黑洞」並沒有被發現,相反,新的理論模型可能指出我們生活在四維宇宙中的一個原因。

英國劍橋大學理論物理學家Ulrich Sperhake說:「在這裡,我們可能首先看到,四個時空維度是一個非常非常好的選擇,否則宇宙中的事情會發生很糟糕的事情。「

從一開始,愛因斯坦廣義相對論就描述物質如何扭轉時空,並且預言了自己的死亡的方式。共同研究的作者Markus

Kunesch,劍橋大學的應用數學和理論物理博士候選人說,這種死亡形式是奇異的點的形式,或無限彎曲時空的,我們所有的已知理論都無法再此得到運用。但是,幸運的是,愛因斯坦的理論預測,這些奇點只存在於黑洞的事件層面之後。在新的理論形式中-彩虹引力理論,宇宙從來不是一個奇點,或者是一個無限小而無限密集的物質。也就說事實上,宇宙根本就沒有起點。

根據大爆炸理論,宇宙誕生於大約138億年前。所有今天存在的事情曾被壓製成無限密集,無限小,超熱點,被稱為奇點。這個奇點爆炸了,形成了早期的宇宙。愛因斯坦關於廣義相對論的數學的奇異性,它描述了時空的質心如何變化,另一個方程(稱為Raychaudhuri方程)預測某物的軌跡是否會隨著時間的推移而趨同或分散。按照這些方程,在時間上是落後的,宇宙中的一切事物曾經是一個單一的點,來自大爆炸的奇點。在愛因斯坦的表述中,物理學的規律在達到奇點之前就已經破裂了。麥克吉爾大學蒙特婁大學理論宇宙學家羅伯特·勃蘭登伯格(Robert

Brandenberger)說,科學家們推測物理學方程仍然存在。

量子力學說,微小的亞原子粒子的行為是根本不確定的。這與愛因斯坦的廣義相對論是不一致的,並且這是不確定性的,而廣義相對論是一個確定的的理論,一個狀態A可以推出一個唯一確定的狀態B,這意味著一旦所有的自然規律都是已知的,未來就是過去完全預定的。

「即使有一個奇異點,它很好地包含在一個高安全性的庇護中,它不會影響外面的任何東西,」相關研究人員告知。「這意味著廣義相對論仍然完全能夠解釋整個宇宙在這個微小奇異點之外的整個演變。」被稱為宇宙審查定理的安全存在的奇異點的概念已經在人們所看到的宇宙中無處不在。

但是Kunesch和劍橋大學的研究人員Pau Figueras和Saran Tunyasuvunakool想探討宇宙審查定理的局限性。他們研究了15年前研究人員所預測的奇怪黑洞。

在過去,研究人員提出了這個黑環形的黑洞的數學描述。然而,沒有人能夠模擬它們在廣義相對論下的行為。事實證明,在五個維度上,「裸體奇點」將在黑洞之外,反過來,這意味著愛因斯坦的相對論將在整個宇宙中完全崩潰,而不僅僅是黑洞中。但是,這並不意味著愛因斯坦的理論是錯誤的,相對論已經通過了所面臨的每一個單一的考驗。

當物理學家最近發現了最後剩下的預測之一,他們檢測到13億年前從兩個黑洞的粉碎形成的引力波,讓科學界都很震驚,不得不說愛因斯坦的理論是一個神奇的理論。一方面,這些相對破裂的黑洞是不可能存在的。為了這樣做,必須有額外的維度。雖然一些理論,如玄理論,確實預測了11個甚至27個額外的維度的存在。

這個發現增加了宇宙在物理性質方面占據主導位置的概念,斯珀赫說,如果引力更強,我們的宇宙將在大爆炸後不久就崩潰了。如果引力較弱,則不能形成恆星。如果電磁學略有不同,化學反應也將會改變。現在,似乎應該將列表中的時空數量加在一起。如果還有,宇宙的未來行為是不能預測的,至少不是愛因斯坦的理論所能預測的。

Kunesch說,新的結果也在揭示了愛因斯坦開創性理論的一些黑暗處,未曾探索的角落和裂痕。相當顯著的是,愛因斯坦理論被寫下來的一百多年後,我們仍然不能完全了解愛因斯坦方程式的解決方案。我們還需要確定理論上是否完全一致,在理論層面上還有更多的實驗層面同時還有很多開放性的問題。


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