当前位置: 主页 > 新闻 >
相对论“稳居王位”:爱因斯坦的理论无偏差,
2020-06-06

简述:研究者致力于用实验来寻找违反爱因斯坦广义相对论的结果时,什么都没有就是结果。这也起到了一定作用,有利于进一步探索新物理在哪里与不在哪里。

1887年,科学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫立进行了物理学最著名的实验之一(在凯斯西储大学,巧合的是,在撰写本文的街道对面)。与其他重要的实验不同,他们找不到他们想要的东西,但是出乎意料的是,他们的“无效”结果为相对论铺平了道路。

在寻找新事物时,研究人员有时会故意着手产生无效结果,这种类型的实验是为了寻找与爱因斯坦广义相对论的偏差。

蒙大拿州立大学的物理系学生凯蒂·张伯伦说:“100年来,相对论一直是引力理解的基础,我们必须排除其他现有理论可能被取代的可能性”

有很多可供选择的引力理论,来解释各种现象或修复广义相对论与量子理论著名的不相容性。其中一些可以预测在实验室中测试的重力行为差异。

最近的另一项测试涉及超导重力仪,该仪器可以测量地球表面各个位置的重力强度。如果在那些实验中出现广义相对论未描述的引力效应,这些令人垂涎的结果就会被称为“新物理学”。

“这并不令人特别失望”,从事超导重力仪分析的卡尔顿学院的杰伊·塔森认为,“空结果告诉我们新物理不在那里。 这就缩小了人们可以继续寻找新物理学的范围。”

换句话说,即使是符合广义相对论的实验也可以告诉我们一些事情,在这种情况下,包括尚未诞生的理论,任何理论的结论与这些结论(只要是它们证实的)不一致一定是错的。

尽管广义相对论在数学上很复杂,但它基于一些简单的概念。其中:仅承受重力的物体不会受到任何作用。这就是国际空间站上人可以自由漂浮的原因,就好像根本没有重力一样,即使该轨道上的重力仅比地球表面小约10%。爱因斯坦称这种认识为他一生中“最幸福的想法”。

这个愉快的想法的结果是“局部洛伦兹不变性”。“局部”是指“大约在空间的一个点上”,“不变性”是指在相同条件下进行的两次实验应返回相同的结果。“局部洛伦兹不变性”是指(例如)如果一个实验比另一个实验旋转90度,则在同一位置的两个实验应该是相同的。 尽管真实的实验占用的空间不止一个点,但研究人员通过精确的测量并了解实验的大小如何影响结果来弥补这一点。

一些引力理论预测了局部洛伦兹不变性的悖论,包括弦论和其他引力量子理论。 这些违规中的大多数发生在比当前实验所能达到的更小的长度尺度上,但是某些影响可能会“渗入”可测试的体系。

引力物理学家没有检验一个特殊的替代理论,而是制定了一个模拟偏差的通用框架。 该框架由在广义相对论中全为零的数字组成,但取值取决于哪个替代理论在进行预测。

凯蒂·张伯伦认为:“目前,对不同的重力修正理论有很多限制,由于我们可以通过我们的仪器以更高的灵敏度探索更多的相对论时空,因此我们可以设置更严格的约束条件。”

从阿波罗11号开始,宇航员在月球表面留下了“反射器”,由它们将光直接反射回光源。 地球上的天文学家会通过望远镜向那些后向反射器发射激光束,并确定光返回到天文台需要多长时间。 这些“月球范围”实验是我们拥有的广义相对论的最佳测试。

“月球激光测距实验的有用性主要是因为它非常精确的数据,”博洛尼亚大学的阿德里安·布尔戈因说。 他指出,与地球和月球之间40万公里的距离相比,这些实验在厘米级别上是精确的,足以看出相对论的可能偏差。

例如,如果重力违反了局部洛伦兹不变性,那么当月亮与太阳对准(满月和新月)时,与月亮和太阳相对于地球所成直角对光的传播时间的影响可能不同。 (半月)。 那是旋转实验装置的大规模版本。

第一次月球距离测试始于1969年,并进行了许多后续实验。 布尔戈因及其同事研究了13个涉及五个不同天文台的测试。

月球后向反射镜旨在测试相对论,但杰伊·塔森和他的同事在其相对论测试中使用的与地球结合的超导重力仪主要用于研究由于岩石密度,地震,月球引力等造成的地球重力的变化等等。这些仪器由冷却至超导的金属球组成,这意味着可以使用电磁铁使它们悬浮。通过使它们悬浮在完全相同的高度,仪器可以测量该位置处的重力场。

与月球测距一样,这些重力仪提供了许多精确的数据,有些可以追溯到十年前。塔森和他的合作者比较了全球多个重力仪组之间的结果,以寻找任何普通现象无法解释的变化。

两组研究人员均得出结论:在这种精确度水平上没有发现可以违反广义相对论的情况。 不过,在这两种情况下这些数据都比以前有了改进,月球范围实验显示,其精度比以前的测量提高了千倍。

特别是他的研究着眼于未来的重力波观测站如何发现与广义相对论的偏差,包括违反洛伦兹不变性的现象。与地球和月球测试不同,这些引力波来自我们所知的最强引力:碰撞的黑洞和中子星。

“我们需要非常强的信号,才能分辨出违反洛伦兹的引力波形式和看起来像广义相对论的引力波形式之间的区别。”

布戈因说:“我很高兴这些测量结果为空。否则,我将继续研究这个问题,我想知道这些测量结果是否来自计算错误或者是真实的。”

他回顾了2011年的一次实验,该实验看起来像是显示中微子的传播速度快于光速,这一结论在后来的分析中出错了,似乎违反了局部洛伦兹不变性,这也可能意味着测量困难,而不是真正上的发现。

但总是有机会的, 而且,就像迈克尔逊·莫立实验一样,“无”结果告诉我们新的物理学可能隐藏在那里,也可能没有隐藏。