a117 带负质量的爱因斯坦方程

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 文章探讨了爱因斯坦方程和现代宇宙学的挑战,特别是负质量及其对场方程的影响。
  • 它指出了天体物理学中尚未解决的问题,如星系动力学、螺旋结构和缺失质量问题。
  • 文章将理论模型(如黑洞和中子星)与观测结果进行比较,并揭示了当前物理学的局限性。

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仅具有正质量时,爱因斯坦方程为:
(95)

**S **= c T

其中S是一个几何张量,T是“能量-物质”张量。我们可以将其表达为显式地出现r(物质密度)和p(压强)的形式。在经典相对论中,这两个量都是正的。

现在我们称r+和p+为正质量的贡献。称T+为由这些量构建的张量。

负质量密度r- < 0和负压强p- < 0,由负质量产生,将给出张量T-。

那么相应的场方程变为:

(96) S = c (T+ + T-)

当前天体物理学和宇宙学中尚未解决的问题。

在这些两个领域中存在许多未解决的问题。我们在这里不会回顾天文学和宇宙学的全部历史。光谱方法结合多普勒效应测量,提供了关于恒星色球层化学组成和温度的重要数据。

造父变星被用作距离标准,使评估距离达到数千万光年成为可能。

微分几何工具为宇宙学(场方程、度规)提供了新的理解,并解释了红移现象和宇宙背景辐射。

核物理产生了恒星模型,包括它们的起源、运行和演化(但我们在前面一节中已经看到,太阳中微子的缺乏对这些恒星模型提出了严重的问题)。

核物理解释了宇宙中原始氦的存在及其相对丰度。

但是:

  • 我们没有理论模型来解释星系动力学。在这个领域,我们的方法仍然是完全经验性的。

  • 我们不知道星系是如何形成的,为什么它们有如此特定的质量,也不知道它们如何随时间演变。螺旋结构并没有真正被理解。它的真正起源仍然存在争议。

  • 所有星系应该在数十亿年前就已经爆炸了(质量缺失效应)。旋转曲线,具有较高的外围速度,仍然是一个谜。

  • 关于星系团也存在同样的质量缺失问题。

  • 许多星系非常不规则。多年前,英国天文学家詹姆斯·金斯爵士常说:

当我们看到这些扭曲的图案时,我们无法抗拒这样的想法,即某种强大而完全未知的力量是其原因。 * * - 看来这是一个与宇宙年龄有关的问题,根据哈勃常数的测量,与我们银河系中最古老恒星的估计年龄相比(这些恒星属于球状星团,如武仙座星团)。

  • 宇宙的VLS(非常大的结构)仍然是一个未解决的问题。我们不知道为什么星系围绕着1亿光年范围的大空洞分布。

  • 类星体的能量来源仍然是未知的。

  • 哈尔顿·阿普发现了许多违反哈勃定律的星系系统。

  • “伽马闪光”的本质:未知。

  • 中子星被预测并发现了数百个。这个模型拥有一个临界质量:约2.5个太阳质量。任何质量超过这个值的中子星都无法存在,因为内部压力无法再平衡引力,物体将坍缩。

这样的条件必须存在于宇宙的某个地方。例如,作为两颗中子星合并的结果。经典的答案是所谓的“黑洞”。一些天文学家“用这样的物体解释各种现象”。巨大的黑洞“必须”存在于星系中心或星系团中心。它们“解释”了类星体现象。它们“解释”了几乎所有东西。

但直接观测似乎非常罕见。为什么候选者如此之少?

当一个物体真的存在时,过了一段时间,天文学家会找到很多。例如:超新星、旋转的中子星(脉冲星)。为什么黑洞的候选者如此之少?

此外,黑洞的几何结构是当第二项为零时爱因斯坦方程的解,当T = 0时。这意味着这个解描述了宇宙中“没有任何能量-物质存在”的一部分。场方程简化为:
(97)

**S **= 0

  • 回到标准模型:为什么早期宇宙(其图像由宇宙背景辐射给出)看起来如此均匀?根据模型,最初宇宙中的粒子无法相互作用,因为“视界”ct小于它们之间的平均距离。那么,是什么导致了今天观察到的宇宙微波背景辐射的显著均匀性?

  • 在“t=0”附近,“时间”是什么?这个问题有意义吗?

当我们回溯到最遥远的过去,物理学家会达到高能条件,他们所面临的问题似乎与当前高能物理的危机相当:

- 我们在谈论什么? - 谁知道爱因斯坦方程是否考虑了电磁现象?引力与光理论之间的联系尚未建立。量子世界与引力之间的差距仍然存在(什么是引力子?)。

五十年的零物理。

这个标题似乎非常挑衅。目前的技术进步令人印象深刻。理论物理学家梦想着“万物理论”(TOE)。“量子力学的成功”误导了研究人员。你知道吗,我们没有方法预测粒子的质量。夸克模型看起来像托勒密体系。

几个世纪前,托勒密发现了一个系统,能够通过复杂的圆圈系统描述天空中行星的轨迹。这非常有效,例如预测日食。最终,这个模型使用了48个圆圈。在哥白尼时代之前。当年轻的西班牙国王从他的老师那里了解到托勒密模型时,他说:

- 天啊,如果上帝在创造这一切之前征求我的意见,我会建议更简单的东西!

错误的东西可以有效地运行几个世纪。这就是为什么太阳中微子的缺乏(在前面一节中提到)如此引人入胜:量子力学无法解释它。这是量子机器第一次出现故障。

一些人转向基于群论的超弦理论。超弦理论的支持者认为,世界上的一切都可以对应于一个十维实体“空间”的不同结构。1714年,德国哲学家和数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨在他的著作《单子论》中提出了类似的观点。莱布尼茨认为“一切都是由单子构成的”。世界应该是一个由单子组成的有组织的系统,但他无法发展他的想法。

超弦理论的支持者寻找他们现代的十维单子。

所有这一切导致了在研讨会中真正超现实的交流,比如最近在科罗拉多州阿斯彭举行的研讨会。《科学美国人》杂志在1996年1月的版本中,由记者Madhusree Mukerjee撰写的题为“解释一切”的文章中对此进行了报道。

为了寻找这个据说能组织十维宇宙的神奇物体,一些人谈论“带刺的球体”、布满矢量的豪猪,或者“毛茸茸的毛毛虫”、五维膜(伦敦帝国学院的Duff),能够像“香肠的皮”一样自我滚动。

加州理工学院的Schwarz(该理论的先驱之一)补充道:“我应该成为一名卡车司机!”

其他人则谈论“零质量黑洞”。

芝加哥大学的Jeffrey A. Harvey喊道:

“这意味着你的黑洞质量为零?它们以光速移动吗?”

“不,它们什么都没有,没有任何动量。”加州大学圣塔芭芭拉分校的Gary T. Horowitz回答道。

“哦,胡说八道!”这是斯坦福大学的Leonard Susskind说的。”

“它们没有能量,也没有动量——那里什么都没有!” Harvey抗议道。

Strominger说:“也许在宇宙的某些区域,空间以小水滴的形式存在,在这些小水滴中,黑洞会变成弦,反之亦然。在我们的环境中,这些小水滴可能看起来在虚拟宇宙中航行,这些虚拟宇宙只存在极短的时间,因为它们会立即消失,甚至在被观察之前就消失了。”

Susskind说:“我个人认为这是一派胡言。”

1986年,有人要求一位研究人员用七个词总结“万物理论”,他回答道:

  • 哦,主啊,你为什么抛弃了我?

这一切很有趣,但正如我们所看到的,这还远未结束。在物理学史上,从未有任何理论引起如此大的动荡,如今每天都有十篇文章发表在该主题上。我们无法确定这座山会生出一只老鼠,还是老鼠会生出一座山。