有证据证明爱因斯坦的相对论是错的吗?

时间:2021-04-14 08:51:57   作者:
没错,但这是对一个我们还不知道的基本理论的极佳近似。

大多数物理理论都是正确的,但也不能完全描述它们所描述的现象。例如,牛顿的万有引力理论是广义相对论(GR)的一个极好的近似,它只有在非常强的引力场的情况下才会失效。我们几乎一直在使用牛顿理论,因为它的误差总是很小,而且它是一个更容易处理的理论。同样,麦克斯韦的电磁理论是一个基本的、深奥的量子理论,量子电动力学(QED)的近似,但我们一直使用麦克斯韦的理论,因为大部分时间量子效应可以忽略,而麦克斯韦方程更容易处理。

GR和未知的重力理论之间的关系将非常类似于麦克斯韦方程和QED之间的关系。像麦克斯韦方程一样,GR是一个异常美丽和精确的经典理论;而且,因为GR是如此精确,我们知道量子效应几乎总是可以被忽略的,所以即使在量子理论被设计出来之后,我们仍然会在大部分时间里使用GR。

至少有三个理由让我们相信有一个量子理论,对它来说GR是一个很好的近似,而且每个人都知道:
 
  • 这是一个经典理论,用理查德·费曼不朽的话来说,这是错误的。我们几乎可以说,我们生活在一个量子宇宙中,所以更好的引力理论将是量子理论。
  • 它预测了时空中的奇点引力场变得无穷大。无穷是数学上的抽象;物理上没有无限。有人可能会说,无穷大是物理学家,因为“这就是理论断裂的地方”。
  • 这与我们现在所知道的质能场的性质是不一致的。

时空曲率=密度和能量和动量的通量。

方程的左边是一个数字矩阵。右边是一个量子算符矩阵,每一个都有一个期望值。在某种程度上,这是没有意义的,尽管通过计算每个运算符的期望值,这是已经完成的。这与第一条紧密相关。

所以爱因斯坦的GR是一个更好的引力理论的近似值,该理论有三个特性:
 
  • 这将是一个完全的量子理论。
  • 它不能预测奇点。
  • 它将在实验上与GR相一致,GR将是量子理论的“连续极限”。这是因为GR是一种极其精确的理论,它经受住了迄今为止的每一次实验测试。反对GR的唯一理由是我上面提到的那些,但这并没有掩盖这样一个事实:GR是一种惊人的优雅和精确的万有引力理论。

现在,你可能会问,为什么我们还没有一个好的量子引力理论?答案是,因为很难找到这样的人,而且有很多人比我更聪明,你可以在这里找到一个很好的努力总结。有两个真正的问题。第一,任何量子场理论都可以预测无穷,但对于大多数理论来说,这些可以通过一种称为重正化的过程来消除;但通常的重整程序对引力场并不适用。但到目前为止,更大的问题是引力太弱了,我们无法在引力上进行可控实验,而对引力效应的详细观测也异常困难。

所以这个领域里真正杰出的理论家们想出了很多非常好的想法,但他们的观测数据非常有限,对他们的想法进行实验或观测测试的希望非常渺茫。这就是为什么LIGO、LISA和NANOGrav天文台如此重要:通过令人难以置信的技术,他们对这些现象进行了惊人的精确观测,这可能有助于我们更好地理解量子引力。
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