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回归三维空间——时间的本性和暗物质是什么?

2017-03-24  伟天英

2013年1月英国的天文学家宣布他们发现了宇宙中纵深达40亿光年的星体结构,这是由73个古老类星体或星系共同组成的目前最大的星体结构——“大型类星体群组(简称LQG)。

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英国中央兰开夏大学耶利米亚·霍罗克斯研究所的罗杰·克洛斯博士认为:“这一发现令人非常兴奋,因为它颠覆了我们之前对于宇宙的认识。如今看来,宇宙中的星系并不像我们所想象的那样是均匀分布的。普通星系的长度在600万到1000万光年之间,但一个典型的LQG的长度约为16亿光年,而这些星体结构在被拉长后的长度能达到40亿光年。即便以光速行进,也需要40亿年才能穿越这个类星体群组,宇宙中存在如此大规模的星体结构有可能将会对现有的宇宙学理论形成挑战,彻底改变人类对宇宙的认识。”现代宇宙学理论的基础源自爱因斯坦的研究成果,并依赖“宇宙学原理”的假设。虽然“宇宙学原理”也是一种假设,但目前还没有确凿的证据能够对其进行证伪。而根据“宇宙学原理”和现代宇宙学理论而得到的计算结果显示,天体物理学家目前无法发现一个大于12亿光年的宇宙结构。很明显,上述新的LQG的发现将对这一理论形成挑战。

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飞行异常对传统物理学的挑战

美国宇航局近日发表的一份分析报告认为,美国“近地小行星交会”“舒梅克”号探测器的飞行速度就比预计的要快得多。在许多太空探测器近地4小时的飞行期间,有的出现减速现象,有的出现加速现象。而这种飞行异常现象,或许在提示着相对论需要修改。

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“飞行异常”现象是指当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程,所有飞行器都曾有过奇怪的速率变化过程。而根据已知的万有引力定律,不应该出现这种现象。于是有些科学家认为,这种飞行异常表明现有物理学定律以及万有引力定律存在问题,爱因斯坦的广义相对论需要修正。有人则认为这只是一种较为激进的看法。对此,美国斯蒂芬·阿德勒博士认为飞行异常现象是由一种看不见的暗物质所造成的。

飞行器在穿越暗物质的过程中,受到了来自暗物质引力作用,引起了飞行器速率的不规则变化。另一个飞行异常的例子是:美国宇航局1972年3月同时发射了“先锋十号”“先锋十一号”双胞胎飞船,它们以时速2.7万英里每小时前进。

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科学家正在持续监测,1983年就离开太阳系,现距地球几十亿英里的“先锋十号”(Pioneer 10)的信号。近日研究人员表示“先锋十号”目前正被一股未知的力量拖拽回太阳。而这股未知的力量丝毫没有减弱的迹象。科学家正在思考该探测结果或暗示了一种新自然力量的可能。发表在物理学期刊《物理评论》上的研究显示,两颗探测器正以每世纪6英里的速率改变——这种效应几乎无法探测到,它大约比引力作用微弱100亿倍。研究小组在排除了飞行器自身的原因后表示,目前没有任何现存理论能够解释为什么这种神秘力量维持恒定:物理学常识说明几乎所有可能存在的力,从引力到太阳辐射的效应,引力与距离是成反比的,力都会随着距离的增大而急剧锐减,但目前的研究表明,它们离开太阳越远,反而受到的引力增加了。

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两个探测器表现出的怪异行为排除了两者正在被太阳系外某未知行星产生的引力所影响的可能性。有些科学家还提出了另一种可能,也即这些神秘力量是由先锋者号探测器离开太阳系环境剧变导致的,但科学家随后发现该神秘力量对另外两颗仍位于太阳内的太空探测器,伽利略号和尤里西斯号也产生了影响。这两个探测器的数据表明它们受到的神秘力量的强度与先锋者号所受到的是一样的。美国斯坦福大学的太空科学家邓肯·斯蒂尔(Dun-can Steel)博士表示,这种微弱的力量在宇宙范围内可能产生巨大的效应。

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此外他还提出了一个新问题:我们对引力定律的了解是否全面?”从聚合而生的多层宇宙模型来看,这种现象能够得到更合理的解释。万有引力是一种错误的假象,引力只是力弦粒子的压力,宇宙天体在自己的层级宇宙之内,容易受到系统力的影响。当脱离系统,同样也会受到外部力弦粒子的作用,而力弦粒子方向是由外向内的,太阳系有来自银河系力弦粒子的压力。

无论如何,传统的相对论都面临着威胁。因为暗物质的本质人们目前还不知道,作用原理只是猜测。另外这种飞行速率变化到底受什么影响不得而知,存在问题就说明相对论的时空弯曲并不完美,或者宇宙物理的深层原因还是没有弄清楚。爱因斯坦曾经是量子力学的催生者之一,但是他始终不认可量子力学的测不准原理,所以他除了那句著名的“上帝不掷骰子”外,还有另一个名言:“月亮是否只在你看着它的时候才存在?”霍金说“上帝不仅掷骰子,而且他总是把骰子扔到我们看不到的地方!”当然这就是以爱因斯坦为代表的科学家与玻尔为首的哥本哈根派为代表的科学家,关于量子本质争论的关键点。爱因斯坦强调内在的因果关系,哥本哈根派强调事实观察结果。

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量子世界有其不可窥视的一面,量子的测不准原理,波粒二象性等是人类工具的粗糙、无奈,还是因果的逻辑没有找出来,至今还困惑着物理学界。现代观察的事实表明:电子能够再次分裂,在特定环境下能够测出量子中子动量与位置的两个状态。

这些事实打破了哥本哈根派的量子逻辑,也似乎注定了爱因斯坦追求因果关系的方向未必是错误的。但是相对论本身的平滑弯曲的时空,与量子在极端微观尺寸下的量子涨落是矛盾的。相对论与量子力学似乎是各自独立运转于一个宇宙系统之中,相对论与量子力学的不完善可见一斑。量子力学和广义相对论是二十世纪两个非常成功的理论,但这两个理论在现有的框架下是相冲突的。简单说来,量子力学认为没有任何东西是静止不动的,任何东西都有起伏涨落(测不准原理)。

广义相对论认为时空是弯曲的,大质量星体导致平滑时空弯曲是万有引力的起源。将量子理论与相对论结合在极端微小的普朗克尺寸下就可以导出,时空本身也是每时每刻都在经历着量子疯狂的起伏涨落(量子泡沫)。在靠近粒子的地方的引力会增加至无限大。在黑洞的视界附近,在大爆炸的初始时刻,相对论与量子的矛盾都会凸显。在这些情况下,我们现有的理论(量子力学和广义相对论)是不适用的,只能得到一些结果为无穷大荒谬结论。很显然,我们需要一个更完备的理论。

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