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爱丁顿广义引力理论

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基本简介编辑本段回目录

科学家勾勒的宇宙的时间线科学家勾勒的宇宙的时间线

1927年物理学家勒梅特(Georges Lemaitre)首次发表了宇宙大爆炸理论,自那个时候起,它就成为我们理解宇宙起源的基础。这样做理由是很充分的:科学家们最新的观测和实验结果,都为该理论提供了支持,况且它建立在爱因斯坦那广为人接受的广义相对论之上。但科学家们从来没有放过任何能通往其他理论的线索,它们将是除大爆炸理论外的别种选择。最近,天体物理学家巴纳多斯(Maximo Banados)和费雷拉(Pedro Ferreira)发表了该领域的最新研究成果,他们将20世纪早期建立的一个引力理论重新带回到人们视线中。经过修正后,他们发现这个新理论带来了一些令人惊奇的结论。

在一项最近发表在物理评论快报(Physical Review Letters)上的研究里,巴纳多斯和费雷拉重新考虑了英国天文学家和物理学家爱丁顿(Arthur Eddington)提出的引力理论。爱丁顿是跟爱因斯坦同时代的物理学家,他最为世人所熟知的是1919年观察到太阳的万有引力确实弯曲了星星的光线,从而为广义相对论提供了最早的证据。

发展过程编辑本段回目录

虽然爱丁顿在广义相对论的发展过程中扮演了举足轻重的角色,但在其后的数十年里,他对寻找能统一引力和量子力学的理论更感兴趣——这是一项至今仍处于研究中的任务。1924年,爱丁顿提出了一个新的“引力作用量”,它作为除爱因斯坦-希尔伯特(Einstein-Hilbert)作用量的另一个选择,可以当作是广义相对论的另一个出发点。在天体物理学中,引力作用量描述了在被物质和能量弯曲的时空中如何形成引力的机理。然而,爱丁顿的引力理论仅对不包含任何如物质等能量源的真空适用,这使得它不能成为一套完整的理论。

在爱丁顿提出这个想法后,科学家们尝试了各种不同的办法试图将物质整合到他的理论当中,虽然在其中遇到了很多问题。在这项研究里,巴纳多斯费雷拉尝试了一种新办法,即被称为 Born-Infeld作用量的引力作用量,来使该理论涵盖物质,从而拓展了该理论。

分析编辑本段回目录

在他们的分析中,两位科学家发现了修正后的爱丁顿引力理论的一个关键特征是,它在真空条件下精确地重现了爱因斯坦引力论,但当加入物质后,它会产生新的效应。由于这个特征,修正后的理论在早期的宇宙或黑洞等高密度区域中的表现尤为明显。例如,该理论预测了均匀且各向同性时空的最大密度,而这可能隐含了黑洞形成过程的某些信息。

更引人入胜的是,从这个理论能得出一个全新的不包含大爆炸的宇宙模型。在大爆炸理论里,早期宇宙的状态是一个奇点,这意味着宇宙曾经是无穷小的。然而,修正后的爱丁顿理论要求早期时空的尺度应该具有某个最小值,这意味着那时的宇宙不可能是一个奇点。该理论预言,在宇宙膨胀至服从标准宇宙学演化法则的规模前,宇宙可能曾经在很长一段时间里保持着相对小的尺寸,具体时长取决于宇宙的初始密度。另一种可能是,宇宙可能曾经经历过一次由上一个宇宙塌缩而造成的跃变,具体情况取决于宇宙的初始条件。任何一种没有奇点的宇宙模型都将解决广义相对论中困扰着科学家们的奇点问题,因为奇点在数学上是无法定义的。

在不久的将来,巴纳多斯和费雷拉希望能对Born-Infeld引力作用量作更详细的分析。虽然现在的研究仅仅集中在这套理论的经典行为上,但是量子行为也可能存在,例如在跃变的概念下。另外,两位科学家计划下一步研究它可能对宇宙常数造成的效应,这项工作没有在这篇论文中展开。不过,他们也指出,该套理论仍然处于概念化的早期阶段,在他们懂得如何去将它精确化之前,还有很长的一段路要走。 [2]

人物简介编辑本段回目录

爱丁顿爱丁顿

爱丁顿(Arthur Stanley Eddington,1882~1944)

英国天文学家和物理学家。1882年12月28日生于肯德尔,1944年11月22日卒于剑桥。1905年毕业于剑桥大学三一学院。1906~1913年在格林威治天文台任职,1913~1944年任剑桥大学天文学教授,1914年起任剑桥大学天文台台长。曾任英国皇家天文学会会长、物理学会会长、数学协会会长,并于1938~1944年任国际天文学联合会主席。

爱丁顿的研究领域广泛,在相对论宇宙学恒星内部结构理论和恒星动力学等领域都作出了创造性的贡献。他早期的工作(1906~1914年)主要是研究恒星的运动和分布,研究成果收集在1914年出版的《恒星运动和宇宙结构》一书中。1919年他带领一个观测队到西非的普林西比岛观测日全食,第一次证实了爱因斯坦的广义相对论所预言的光线的引力弯曲现象(见广义相对论的天文学验证)。爱丁顿是英国最早研究广义相对论的科学家,他所写的《相对论的数学理论》(1923年)被爱因斯坦(Albert Einstein,1879~1955)誉为这个领域内最好的作品之一。

二十年代,爱丁顿在恒星内部结构的研究方面取得重大成果。他首次提出,在恒星内部能量由里向外转移的方式主要不是对流而是辐射,并用辐射平衡取代了对流平衡。他于1924年从理论上确立了恒星的质光关系。这些研究成果都收在1926年出版的《恒星内部结构》一书中。爱丁顿是造父变星脉动理论的创始人之一。他摒弃了双星假说,而用脉动假说来解释造父变星的亮度变化和视向速度变化(见变星的脉动理论)。他在恒星大气、线吸收、星际物质的物理性质和化学成分等方面,也作过一些重要的研究工作。

在第二次世界大战期间,爱丁顿作关于广义相对论的报告,一位物理学家对他说:“您是这世界上懂得并熟悉它的三个人中的一个。”据说爱丁顿的回答是:“我在想这第三个人是谁。”[1]

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