超光速?一波试图修正引力的理论走进死胡同

发表于 讨论求助 2019-11-09 10:13:05

物理 PHYSICS


2017年8月17日,历经了1.3亿年的传播,两颗中子星合并辐射出的引力波信号(GW170817)终于抵达地球,并被地面上的三台引力波探测器同时记录。就在探测到引力波的1.7秒后,NASA的费米空间望远镜在同一源头探测到了伽玛暴(GRB170817A)辐射出的电磁信号。


○ 双中子星并合事件的时间线及一系列重要成果。


这次的合并事件给我们带来了太多的惊喜,而其中之一就是它给了我们一次独一无二的机会测量引力的速度。引力的速度cg,就跟光的速度(或 c)一样,都是宇宙中的基本常数。在引力波天文学时代的来临之前,我们并没有直接测量引力的速度的方法。


之前,科学家利用贝叶斯方法,结合 LIGO 和 VIRGO 前三次对引力波的探测,将引力速度的范围缩小在:0.55c< cg < 1.42c [1]。但双中子星的并合事件,允许科学家比较引力波的速度和伽玛射线的速度,进一步缩小引力和光速的差值:3 × 10-15c cg - c ≦ 7 × 10-16c [2]。这个结果意味着在实验误差范围内,引力的速度 = 光速!这符合广义相对论的预测,爱因斯坦依旧是正确的。


2017年10月16日,世界各地的天文台同时发布了此次中子星并合的一系列科学成就,这场狂欢宴属于天文学家和爱因斯坦。但是,对于另外一些理论家而言,这个消息简直就是噩耗。在一天之内,就有至少五篇相关论文发表在arXiv上 [3-7],为那些试图对引力进行修正的理论哀悼,因为它们都预测了引力波的传播速度比光速还快。


为什么爱因斯坦的广义相对论是如此的成功,却依旧没阻止科学家不断地提出新的替代理论?事实上,早在广义相对论发表不久后,爱丁顿、外尔、克鲁扎和克莱因等人就开始提出新的引力理论。之后,有许多物理学家又在他们工作的基础上做进一步扩展或提出新的思路。许多人对引力进行修正的原因一方面是来自纯粹的学术兴趣,他们试图理解不同类型场方程的结构,从而构建一个更完整的引力理论。而另一个方面,则是因为天文学家发现了宇宙的阴暗面......


暗物质和暗能量


如果你问一位天体物理学家,当今宇宙学中最大的未解之谜是什么?你会得到两个最常听到的答案:暗物质(Dark Matter)暗能量(Dark Energy)。这或许是21世纪物理学上空两朵最大的乌云了,它们占据了宇宙总能量的~95%,却没有人知道它们究竟是什么。那剩下~5%的能量则是由我们熟悉的普通物质(比如桌子、地球和太阳等万物)所贡献。

○ 宇宙的成分:暗物质约为26.8%,暗能量约为68.3%,而普通物质只占4.9%。| 图片来源:ESA/Planck


上个世纪,天文学家发现星系和星系团中的普通物质所贡献的引力无法解释它们的旋转问题,因此推测必定有额外的看不见的物质存在,提供了额外的引力才使星系没有分崩离析。这些不可见的物质被称为暗物质。到了20世纪末,天文学家在观测遥远的超新星时,发现距离越遥远的超新星的亮度比原先理论预测的要暗,这意味着宇宙不仅在膨胀,而且是在加速膨胀!而驱使宇宙加速膨胀的幕后推手则被称为暗能量。之后,不同的天文观测手段,如宇宙微波背景辐射、大尺度结构、重子声学振荡、引力透镜等,都青睐于暗物质和暗能量的存在。


○ 理论预测星系的旋转速度会随着距离递减(红色曲线),但实际观测到则完全出乎意料(白色曲线)。因此天文学家推测宇宙中存在着暗能量提供了额外的引力。


虽然我们并不知道暗物质是什么,但我们可以对暗物质的性质进行推测:它们不发光、稳定、电中性和物质的相互作用很弱。在所有已知的基本粒子中,并没有一种粒子符合暗物质的特性,因此很可能是一种未知的新粒子。不同的模型都预言了不同性质的新粒子,包括比较受欢迎的大质量弱相互作用粒子(WIMP)轴子惰性中微子等等。几十年来,科学家建造大型地下实验、大型对撞机和空间望远镜,但至今仍未觅得暗物质的踪迹。


○ 许多天文学观测的证据都表明应该存在暗物质。| 图片来源:Sandbox Studio


另一方面,暗能量最简单的候选者是宇宙学常数,这是爱因斯坦于1917年为了建立一个静态的宇宙模型而在他的场方程中引入的。但是,当我们考虑量子力学的时候,宇宙学常数的问题便开始出现。根据量子力学,真空本身会有微小的涨落。在广义相对论里,这些微小的量子涨落会产生能量,可以充当宇宙学常数的角色。这个想法非常有吸引力,但是,基于量子力学计算的真空涨落的值要比实际观测的能量密度高出120个数量级,这个结果被惊叹为“物理史上最糟糕的理论预测”。


○ 真空涨落。| 图片来源: Derek Leinweber


另外,当天文学家用不同的观测手段测量宇宙的膨胀率时也得到了不一致的结果。普朗克卫星对微波背景辐射的测量给出的哈勃常数 H0 = 67km/s/Mpc,而基于标准距离尺度进行观测得出H0 73km/s/Mpc。这种不一致意味着要么是其中一种测量方法错了,要么是暗能量背后的理论需要改进。


○ 在一个膨胀的宇宙中,离的越远的天体,其退行速度越快。哈勃常数则告诉了我们到底有多快。过去,不同的天文观测手段给出了两个互不和谐的数字:67km/s/Mpc和73km/s/Mpc,而双中子星的并合提供了另一种测量宇宙膨胀率的方法,得到的结果正好处于中间:70km/s/Mpc。但是这个数字还不够精确,未来当LIGO和其它的天文台观测到至少10- 20次的双中子星并合,才能得到更精确的数字,或许能解决目前遇到的困境。| 图片来源: [8]


基于我们目前对暗物质和暗能量的探索一无所获,有越来越多的科学家开始思考,暗物质和暗能量真的存在吗?爱因斯坦的广义相对论在宇宙学尺度真的适用吗?如果我们通过修正引力就能解释现有的天文学观测,或许我们就不需要暗物质和暗能量?


修正引力理论


回到19世纪,牛顿的引力理论在预测行星的运动时表现的极其完美,除了天王星和水星的轨道出现异常。解释该异常的其中一个方法是发明两颗额外的行星以确保牛顿引力的绝对正确性。由此科学家预测在太阳和水星之间应该存在着一颗祝融星,而海王星则被预测出现在天文星的附近。很快,海王星就被找到了,但在祝融星的寻找工作上却没有那么顺利。事实上,祝融星根本就不存在。这是因为牛顿引力只适用于弱引力场的环境下,而靠近太阳的水星暴露在强引力场下,因此需要一个新的引力理论才能够解释水星的轨道异常。后面的故事大家应该都猜到了, 爱因斯坦用广义相对论预测了太阳-水星系统的动力学,理论和观测完美符合。


当我们假设宇宙是由我们所理解的物质(比如光子、中子和中微子等)构成的,以及宇宙学原理是正确的情况下,广义相对论的预言和天文观测完全无法达成一致。只有当我们假设暗物质和暗能量的存在,才能够协调理论和观测间的矛盾。


这个故事告诉我们,把牛顿引力应用在一个从未被测试的系统上,就需要发明一颗全新的行星。今天,将广义相对论应用在宇宙学尺度就意味着95%的宇宙内容需要被发明。这个类比现在应该显而易见:或许广义相对论并不是可以被应用在宇宙学尺度的引力理论,或许我们需要新的修正引力(Modified Gravity)理论。


○ 基于Lovelock's theorem,对引力进行修正主要有几个选项,比如添加新的场或假设存在更高维度。| 图片来源: Tessa Baker


但是,对引力进行修正并不是一件简单的事。爱因斯坦的广义相对论已经经受住了重重考验,它的预言一次又一次的被验证。新的引力理论除了必须要复制广义相对论的成功,也要能解决暗物质和暗能量的问题,同时还需要做出新的能够被验证的预言。理论家提出了各式各样的新模型,而其中许多选项都允许引力的速度能够改变,甚至超越光速。这是因为引力的速度在之前一直没有被很好的验证过。


通常,理论家可以通过增加一个标量场或一系列额外的场来修正引力,比如Covariant Galileon、Massive Gravity、Einstein-Aether theories、TeVeS 和 Hořava gravity。在许多情况下,取决于标量场如何与广义相对论中的“引力”(张量)场作用,引力的速度要么可以跟光速不同,要么会随着时间改变。而这次中子星并合事件辐射出的引力波和伽玛射线很好的限制了引力的速度,同时,引力波信号和光信号在传播了1.3亿后到达地球的时间差仅为1.7秒则意味着引力的速度并不会随时间而改变。这就表明,有许多替代暗能量的修正引力理论都可以被排除了。

○ GW170817事件之后,可行(左边)和不可行(右边)的标量-张量理论。| 图片来源: [4]


对于那些想要通过修正引力来消除暗物质的理论来说,情况也好不到哪里去。大部分修正所做的都是改变大质量天体之间的引力定律,从而改变包含质量的时空区域的引力势。当光子或引力波以光速传播通过该时空区域时,根据广义相对论,这些信号会有所延迟,即所谓的夏皮罗时间延迟效应(比如,经过太阳的时间延缓为10-4秒,如果是比太阳重1012倍的银河系,时间延缓则为108秒)。科学家从这次双中子星并合事件的计算得出,沿着视线的总暗物质分布的引力势能导致的时间延迟大约为1000天[9]。而如果通过修正引力来消除暗物质,就可以大大地改变引力波在空间中的传播性质。


○ 当光、引力波或任何无质量的粒子通过一片包含了大量物质的空间区域,由于空间被扭曲了,因此光经过的时候会被偏折,导致了不同的抵达时间。在大多数修正引力理论中,光和引力波的延迟时间会稍有不同。| 图片来源: ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.


那些为了消除暗物质而提出来的修正引力理论,比如Bekenstein的TeVeS或Moffat的MoG/标量-张量-矢量的理论具有以下性质:引力波与光子在时空中沿着不同的路径传播。简而言之,引力波的传播路径是由普通物质单独决定的,而光子的传播路径则是由有效质量定义的,所谓的有效质量即普通物质加上仿效暗物质的效应。这就导致引力波将比光子提前1000天抵达,而不是1.7秒。因此这些修正引力的理论基本上就被判了死刑。


当然, 这并不意味着此次的引力波事件将所有的修正引力全部一竿子打死,比如非局域性的引力理论或者那些认为引力波和电磁波服从完全不同规则的理论,都还是有希望的。这次的结果为我们筛选了许多试图消除暗物质和暗能量的修正引力理论,使我们不必再朝错误的方向前进。毕竟爱因斯坦的理论太成功了,所以要找到一个可行的替代理论是极其困难的。但我们也都知道,爱因斯坦的理论并不完备,比如它在宇宙大爆炸和黑洞奇点处就失效了。


无论是暗物质和暗能量,还是修正引力理论,都各自有利有弊。例如,暗物质显然很有说服力,因为它在各自尺度都能运作,但是修正引力在宇宙学(超星系的)尺度上表现的并不是很好。另一方面,暗物质还没有被直接探测到,以及一些在星系中观测到的规律又无法用粒子暗物质解释。因此有些人更倾向于相信暗物质或许是某种超流体的想法,因为在某种近似下,它表现的像修正引力。


或许解释暗物质和暗能量最终需要我们发展出一个能够协调广义相对论和量子力学的量子引力理论对于许多理论家而言,现在他们唯一能做的就是站在大黑板前,重新思考新的可能性。


○ 爱因斯坦的广义相对论仍然是目前描述引力最好的理论。

参考文献:

[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161102

[2] http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa920c/pdf

[3] P. Creminelli and F. Vernizzi. Dark energy after GW170817. arXiv:1710.05877v1. Posted October 16, 2017.

[4] J. M. Ezquiaga and M. Zumalacárregui. Dark energy after GW170817. arXiv:1710.05901v1. Posted October 16, 2017.

[5] J. Sakstein and B. Jain. Implications of the neutron star merger GW170817 for cosmological scalar-tensor theories. arXiv:1710.05893v1. Posted October 16, 2017.

[6] H. Wang et al. GW170817/GRB 170817A/AT2017GFO association: some implications for physics and astrophysics. arXiv:17170.05805v1. Posted October 16, 2017.

[7] T. Baker et al. Strong constraints on cosmological gravity from GW170817 and GRB 170817A. arXiv:1710.06394v1. Posted October 17, 2017.

[8] https://www.nature.com/articles/nature24471

[9] https://arxiv.org/pdf/1710.06168.pdf


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