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引力理论或将改写?暗能量之谜③

2019-04-01 14:38 来源:光明网 
2019-04-01 14:38:12来源:光明网作者:责任编辑:蔡琳

  引力理论或将改写?暗能量之谜③

图注:广义相对论预言的时空弯曲示意图

(图片来源:NASA)

  爱因斯坦建立的广义相对论是迄今为止最成功的引力理论。其正确性从实验室尺度到太阳系尺度都得到了高精度的验证。然而,在宇宙学尺度上,广义相对论的正确性还只是假设。目前的实验观测精度还不足以在如此大的时空尺度上证实或者证伪广义相对论。因此,宇宙时空的加速膨胀现象原则上有可能通过修正或者推广广义相对论来实现。

  实际上,这并不是科学家第一次感到引力理论有修正的必要。在20世纪初,爱因斯坦意识到牛顿引力论,即绝对时空观,既不适用于接近光速运动的物体,也不能准确描述强引力场中的物体。因此他大胆地使用相对时空观取代了绝对时空观,建立了狭义和广义相对论,为百年来的物理和天文学研究奠定了基石。

  爱因斯坦场方程表明,物质的分布和运动决定了时空曲率,而时空曲率又反过来影响物质的运动和分布。如前文所述,由物质主导的宇宙无法使时空加速膨胀,因而引入具有负压的暗能量。这实际上是一种修正爱因斯坦方程的方式,即修正物质分布项。而另一种解决方案则是直接修正时空曲率项,这就是修正引力论。

  原则上,修正引力与暗能量模型可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但是却预言完全不同的宇宙结构形成历史。因此利用星系大尺度结构巡天,我们可以通过观测宇宙的结构形成,来区分修正引力与暗能量这两种物理机制,并对修正引力模型进行观测限制。

  目前已建立的修正引力模型有上百种之多。从数学形式上,这些理论都要比广义相对论复杂,因此要研究这些理论预言的宇宙结构形成往往需要借助大规模数值模拟。研究发现,不同的引力理论可以预言相同的宇宙膨胀历史,但却预言不同的结构形成。基于这种差异,我们可以利用大规模星系巡天观测星系的成团性,进而区分不同的引力模型。

引力理论或将改写?暗能量之谜③

图注:爱因斯坦引力和f(R)修正引力理论的计算机模拟

(图片来源:Zhao et al., 2011, Phys. Rev. D. 83, 044007)

  “工欲善其事,必先利其器”。对于暗能量和引力的研究来说,开展大规模的巡天实验是重中之重。未来5到10年内,我国和国际上将运行一批,国际上称为第四代的大型地面和空间暗能量项目,揭示宇宙加速膨胀背后的新物理。这些项目将从宇宙小尺度到大尺度全面检验暗能量动力学和广义相对论。它们将通过对宇宙标准烛光和宇宙标准尺的精确测量重建暗能量演化历史,并将通过红移畸变、等效原理检验等手段精确检验广义相对论。

  未来5-10年是暗能量和引力研究的黄金时期。相信在全世界科学家的共同努力下,揭开暗能量神秘面纱的时刻指日可待。

  作者:赵公博,系国家天文台研究员,中国科学院大学天文与空间科学学院天文学系主任。2012年入选中共中央组织部青年千人计划,2016年获得英国皇家学会牛顿高级学者奖。主要研究方向为依托大型星系巡天的宇宙学前沿。

[责任编辑:蔡琳]

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