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相对论对话录40

已有 1310 次阅读 2017-10-5 00:10 |系统分类:科研笔记

1.今年的诺贝尔物理学奖授予激光干涉器探测引力波,对于物理学与天文学的发展有何意义?


答:我们回顾一下1901年以来的所有诺贝尔物理奖,几乎95%是与量子力学直接与间接有关的,相对论的创始人爱因斯坦也因为光电效应的光量子解释获奖。从1930年代到1950年代的20年间,1926-1927年建立的新量子力学很快从科学革命转向新的常规科学,大多数物理学家被关于原子结构,核物理,基本粒子和量子场的新发现所激动。广义相对论与各种新引力理论的探索,不再是物理研究的主流。一方面,爱因斯坦等人对量子力学的波动学派解释,随着哥本哈根解释的流行而成为非主流思潮。另一方面,爱因斯坦把电磁场处理为弯曲时空,与引力场统一的思路,不仅不能解释物质结构问题,而且因为量子场论中出现弱力与强力而暴露其统一场论视野的局限性。

   1960年代以后,量子场论因为夸克模型,Yang-Mills规范场,大量新粒子的发现继续前进,但遇到高能加速器不能无限制扩大空间尺度来提高能量尺度的发展瓶颈。凝聚态物理受到技术应用的推动而蓬勃发展,但很少有物理原理的根本突破。微分几何的深入发展,1960年代射电天文学的重大发现,特别是脉冲星的发现,宇宙微波背景辐射的发现,推动了相对论宇宙学的兴起。时空奇点与黑洞的理论研究,是广义相对论发展的新阶段。

   1993年,通过中子星绕转周期变化,间接探测引力波获得诺贝尔奖。2011年宇宙加速膨胀获奖,再加上2016年2月11日,原始黑洞绕转产生的引力波被Ligo直接探测到,我们认为诺贝尔物理学奖的关注热点从新世纪前后重视广义相对论与引力理论研究,大量获奖研究与量子力学有关的时代可能开始退隐。也许,物理学的新发展,将回归爱因斯坦路线。

   1916年爱因斯坦预言引力波,花了100年才直接探测到。麦克斯韦是在1864-1873年进行电磁学研究的主要突破,并预言电磁波具有光的所有特征,到1888年赫兹用实验发现无线电波,只花了15-20年。1899年马可尼发明无线电通信,又花了11年。从理论预测到直接探测,引力波发现史的时间是电磁波的5-6倍,相当于10个必需的引力场方程(4*4矩阵-4个比安基等式),减去赫兹简化后的4个麦克斯韦方程组(原先20个)得到的6倍。引力波天文学的探测技术可能不久就能大发展,但用来搞引力波实用通信,可能是100年的11/20至11/15,即以后的50-80年左右。鉴于引力波信号特别微弱,实用通信发明的时间也许还要大大退后。


2.广义相对论是不是唯一预言引力波的引力理论?


答:引力波的间接与直接发现,都大大加强了广义相对论作为新的常规物理学的历史地位,一个回归爱因斯坦路线的新时代就要来临,如同波澜壮阔的1920-1950量子时代,技术上是电子通信开辟了相对论的应用领域;而天文学随着通信技术与航天技术的发展,为相对论宇宙学的发展提供新奇的观测资料,使得凝聚态物理与粒子物理等传统诺贝尔物理学奖关注的领域变得相对陈旧。

   但是,引力波不是唯一由广义相对论预告的。对相对论的质疑与挑战还会出现,但在短期内(也许是50-150年,相当于拉格朗日到麦克斯韦,爱因斯坦之间的牛顿力学巩固期)很难成大气候,它们会停留在简单的物理模型与哲学思辨阶段,成为未来科学突破的萌芽。

   早在1890年左右,亥维赛就模仿麦克斯韦方程提出了引力磁场理论,认为质量匀速运动产生环形引力磁场,推测引力波的速度是光速。1905年,狭义相对论的先驱彭加勒在《论电子的动力学》中,把洛伦兹变换延伸到自然界中的所有力,发现引力作用应该是光速传递,而不是瞬时传播的。假如没有爱因斯坦,引力理论可能长期采取类似麦克斯韦方程的形态。

   爱因斯坦发现牛顿引力定律没有洛伦兹协变性,而同时代的其他学者在平直时空中构思引力理论,总是得出不合理的物理结论以后,从1907年开始利用等效原理,把引力处理为与加速系中的惯性力类似的弯曲时空,终于在1915年建立了广义相对论。这个理论的线性近似就是麦克斯韦型的理论,能够预言引力波。但因为广义相对论坐标变换的复杂性,爱因斯坦很长时间搞不定引力波是不是坐标变换的虚假效应。

   通过计算引力波能量,我们发现大量麦克斯韦式的线性引力理论预言的引力波能量是负的,这就淘汰了大量线性引力理论。物理学家发现,加速系(无论是否考虑引力)的坐标变换与洛伦兹变换不同是非线性的,这样看来考虑了等效原理的引力理论只能是非线性的。布里渊在1950年代发表的《相对论的新观点》中质疑广义相对论,但是根据质能关系,在亥维赛的麦克斯韦式引力磁场理论中的牛顿引力泊宋方程中,加入了一项代表引力势能的非线性项。认为未来类似激光的引力莱塞,将是检验各种引力理论的好办法。

   测定引力波速度,计算引力波能量,特别是采用各种方法检验强等效原理,即引力自能是否有自引力效应,将是检验广义相对论是否比其他引力理论可靠的判决性实验。





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2 马德义 朱林

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