广义相对论面临挑战
参考消息网12月11日报道 据美国《新闻周刊》网站11月12日报道,爱因斯坦的广义相对论将引力解释为空间和时间扭曲的产物,这一理论可能并不普遍适用。
这是瑞士日内瓦大学和法国图卢兹第三大学物理学家的结论,他们研究了一项观测数据,这项数据绘制了宇宙历史上不同时间点的上亿个星系的形状。
当研究团队分析这些星系的质量如何扭曲时空时,他们发现数据与爱因斯坦的预测略有偏差。
这一变化与宇宙膨胀的加速相吻合,因此可能有助于人们理解这一令人困惑的现象。
在爱因斯坦的广义相对论中,有质量的物体会扭曲空间和时间——就像你把一个保龄球放在床上,床垫会变形一样。
这位物理学家提出,宇宙结构的这种变形就是我们所体验的引力。
行星或恒星等物体周围的时空扭曲位于它们自己的小“引力井”中。
当光穿过这些井时,它就像穿过放大镜一样弯曲,这个过程被称为引力透镜化。
广义相对论的这一方面在1919年——也就是这个概念发表四年后——通过部分在日食期间进行的实验得到证实。
英国天文学家阿瑟·斯坦利·埃丁顿和弗兰克·沃森·戴森证明,太阳的引力很大程度上偏转了来自遥远恒星的光线(在日食期间太阳被遮挡时,这些光线是可见的),这也正如广义相对论的预测。
这大约是牛顿物理学所预测的偏差的两倍,牛顿物理学没有在空间曲度之外考虑到时间曲度。
然而,爱因斯坦的预言在宇宙尺度上是否保持正确,这个问题仍未解答。
在这次新研究中,研究人员使用了暗能量观测站的数据。这个项目正在测量宇宙的加速膨胀。加速膨胀被认为由一种被称为暗能量的神秘、看不见的力量驱动。
论文作者、日内瓦大学宇宙学家卡米耶·邦万教授在一份声明中说:“在此之前,暗能量观测站的数据被用于测量宇宙中物质的分布。在我们的研究中,这些数据用于直接测量时间和空间的扭曲,使我们能够将自己的发现与爱因斯坦的预测进行比较。”
由于光穿越空间需要时间,因此眺望遥远的宇宙与回顾数十亿年前是一样的。
利用这一事实,研究人员分析了处于宇宙历史上四个不同时间点(35亿年前、50亿年前、60亿年前和70亿年前)的1亿个星系,这使他们能够探索引力井在超过一半的宇宙历史中是如何变化的。
论文作者、法国图卢兹第三大学天体物理学家艾萨克·图图绍斯教授在一份声明中说:“我们发现,在遥远的过去——六七十亿年前——这些井的深度与爱因斯坦的预测非常吻合。然而,更接近现在的时候——50亿年前和35亿年前,它们比爱因斯坦预测的要浅一些。”
研究人员指出,正是在后一个时期,宇宙的膨胀开始加速。
因此,宇宙加速膨胀和引力井变浅这两个谜团可能是同一个原因造成的——具体来说,引力在大尺度上产生作用的方式可能与爱因斯坦理论所预测的略有不同。
论文作者、日内瓦大学理论物理学家纳斯塔西娅·格里姆在一份声明中说:“我们的研究结果表明,爱因斯坦的预测与测量结果存在3西格玛的不相容。”
格里姆解释说,“3西格玛”的意思是这种差异很有趣,值得进一步研究。然而,她补充说:“在现阶段,这种不相容还不足以证明爱因斯坦的理论是错误的。要做到这一点,我们需要达到5西格玛的阈值。因此,有必要进行更精确的测量来证实或反驳这些结果。”
随着初步研究的完成,研究团队正准备分析欧洲航天局去年发射的欧几里得太空望远镜的数据,该望远镜将提供更精确的引力透镜化测量结果。