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广义相对论的三大基本问题 一、 引力子交换问题 目前人们认为强相互作用是交换胶子；电磁相互作用是交换光子；弱相互作用是交换中间玻色子；万有引力相互作用则是交换引力子。 比如说a为地球上的一颗沙子，b为月球上的一颗沙子，要使ab间产生万有引力，a中的引力子必须和b中的引力子进行交换。为了产生物质间的万有引力，除此之外，a还必须与地球上的，月球上的，太阳系每一颗星球上的，银河系每一颗星球上，宇宙间所有物质的每一个沙子或相当一个沙子的质量交换引力子。这种交换不仅是一次，而是连续进行的，万世不竭。 1．如果物质是由引力子组成的，（引力子是有质量的），如果物质极小的话，它的引力子总是有限的。但它周围物质的引力子数则可以是无限的，要和周围的每一部分物质发生作用，就必须与各个部分不断交换引力子。这就有可能出现如下情况：把这种物质所有的引力子全部拿来和周围物质交换还不够用呢！也就是说，它只能与周围部分物质产生万有引力，而不能和所有的物质产生万有引力。同样地，从周围飞进的引力子数又必然要大于飞出的引力子数。它们如何平衡？如果引力子是没有质量的话，这种交换就更加令人不可捉摸了。因为力是物体动量的变化率，而动量是质量与速度的积，没有质量的引力子的交换为什么会产生含有质量因数的力（F=ma）？ 2．如果两物体的相对位置在不断地变化，用于交换的引力子还必须有一套复杂的“制导”系统。不然的话，由于物体的位置发生了变化，这些粒子怎么可能准确地到达预定要去的位置呢？因此，这些“引力子”就成了一颗颗名副其实的“粒子导弹”。 3．物体里还必须有一个指挥机构，以便把不断飞来的引力子安排在适当的位置，并命令另外一些引力子飞向指定的物体去完成“交换”的使命。 4．这引力子还必须具有相应的动力和制动设备，以便引力子能起飞和降落。 5．引力子交换的实质是什么，究竟交换了什么东西？ 6．引力子的交换为什么是吸引力而不是斥力？ 7．引力子的交换过程如何体现万有引力的方向、大小和作用点？ 所有这些问题都无法解释。这样一幅极端复杂而有序的交换过程，只有上帝才能完成。 然而，用“万有引力是暗物质对物体的碰撞”，那么万有引力是如何产生的，它为什么是吸引力，万有引力大小公式以及万有引力为什么是一种体力的解释就既自然又简单。 请清华小猪注意：交换和碰撞不是等效的，这里的交换过程显然是有序的，必须事先编制一个可执行的程序，才能保证交换能彻底可靠地完成，而碰撞是无序的，是自然而然地发生，碰撞过程的结果，双方自动地进行动量的交换。 二、 引力波存在问题 引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一。引力的本质是什么？它是不是以波动的形式向四面八方传播的呢？爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，发现了引力场方程，早在1916年，爱因斯坦对引力场方程取近似值后得到了波动解。尔后在三十年代，他和罗森曾在引力场方程中求得严格的柱面波解。引力场的波动解表明：时空的波动作为一个独立的实体，以光速在真空中传播。因此，为了描述时空中某点的弯曲，需要有20个坐标的函数来描写，其中10个函数对应于以引力波形式自由传播的弯曲部分，即“弯曲的涟波”。 但是，对引力波作出预言是一回事，引力波的存在又是另一回事。人们虽在地球上建造了许多探测宇宙引力波的实验装置，却均未捕捉到有关引力波的可靠信号。半个世纪以来验证引力波一直是科学家们困惑的难题。虽时有探测到引力波的报导，但用更高灵敏度的试验装置却不可重复。半个世纪以来验证引力波一直是科学家们困惑的难题。 用暗物质的碰撞来说明万有引力，实质上是因为两个物体的存在，破坏了暗物质的各向同性。如果考虑到暗物质之间的互相碰撞，暗物质的这种差异不可能保持到无限远。就象水面上航行的船只所激起的浪花不可能伸向无限远处的道理一样。因此，万有引力平方反比律在空间尺度上有一定的适用范围，超出这个范围以后，引力不再是与距离的平方成反比地减小，而是减小得更快一些。在相当遥远的距离外，万有引力实际上已不存在了。很明显，这种万有引力的机制根本不存在“引力佯谬”（西利格佯谬）和“引力波”。 三、 暗物质存在问题 人们根据质量和光度的比值测量出的质量，总比根据星系周围的物质转动曲线、双星系的万有引力和动力学平衡条件等力学的方法得出的质量要小得多。这是一个普遍的规律。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。 几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已 经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度 中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜。 大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系 。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了。 [图片说明]：普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗 物质占了近23%，另外的73%是占主导暗能量。 但是直到70年代，一些相当有影响的天文学家仍然相信星系是宇宙中的主要成分，认为下落不明的质量根本不存在，质量并没有短缺。1987年，通过星系的转动曲线证明了暗物质的存在，在这一事实面前，这些天文学家开始慎重考虑暗物质问题。 所谓星系的转动曲线是指围绕旋涡星系转动物体的速度与其半径的关系。转动曲线描述了物体距星系中心不同距离时，在星系盘里的轨道速度。速度是通过多普勒效应得到的——我们接收到的光的波长变化与物体接近我们还是远离我们的速度成正比。然而观测结果却发现，在星系发光区域之外，物体的转动 速度与距离无关。也就是说，不同距离上的物体竟有相同的转动速度。对于这个反常结果唯一的解释是，星系周围的空间并不是真空，而是存在着质量可观的晕，这个晕不发光，是不可视的。 此后，天文观测又发现许多能证明暗物质存在的证据。譬如，我们附近的恒星运动反映出银盘里的物质的引力影响，比我们发现的恒星和气体物质的引力影响大50%。射电天文学、红外天文学、紫外天文学和X射线天文学的发展，允许我们探测不同温度的气体，计数光度只及太阳十万分之一甚至更暗的单颗恒星，尽管如此，银河系的密度仍和天文学家经理论计算所预期的相差甚远。 一些科学家确信，宇宙中实际存在的物质总共是发光部分的1000倍。 暗物是什么 最初有人猜想暗物质是弥漫的气体。在银河系中有不少气体云，星系际空间里是否也有大量这种气态物质呢？如果在星系团中平均每立方厘米体积里有1%个氢原子，它们的总和就足以给出兹威基所需的短缺质量。和目前的探测结果相比，这个密度是相当高的。射电观测证明，每立方厘米的体积中氢原子不到百万分之一个；光学观测则证明，每立方厘米的体积中氢原子不到一万亿分之一个。此外，X射线观测也证明星系团中电离气体的密度很小，远不足以说明质量短缺的问题所在。 短缺质量会不会以尘埃形式存在呢？天文学家估计弥散尘埃的质量最多只占星系团中恒星质量的1%，所以尘埃也不会是暗物质的主要成分。 还有人提出，“下落不明”者是一些已经变暗“死”去了的星或星系。但仔细想一想，如果今天的宇宙中有如此大量的“死星”。那么早些年代的“活”星数目一定比现在多得多。然而通过观测遥远天空背景辐射，并没有发现这种迹象。 暗物质不是气体，尘埃和死星，还会是什么呢？ 暗物质的候选者 1980年，一些物理学家宣称，中微子的静止质量可能不为零。办联的一个实验小组则更具体地说，电子中微子的静止质量约为6万亿亿亿分之一克。这个消息在天体物理学界引起了强烈的反响，给停滞不前的暗物质问题带来新的生机。许多人马上想到，短缺质量也许就是中微子。热大爆炸学说预测，在今日的宇宙中，每立方厘米的空间内应当有大约100个中微子。虽然每个中微子的质量微乎其微，由于其数量惊人的大，加在一起的引力足以主宰整个宇宙。 中微子到底有没有静止质量，这个问题已争论10多年了，至今仍无定论。但经过对中微子问题的讨论，已使有关暗物质的研究成为天体物理学家和粒子物理学家共同研讨的重要领域。 粒子物理学家寄希望于暗物质的研究能找到他们所预言的许多“暗”粒子。这些暗粒子有各种各样的名称，通用的集合名词是“微子”和“宇宙子”。其中许多都是根据已知粒子而创造的名词。如光微子是由光子而来的，引力微子是由引力而来的。它们大都不参与地磁作用，或只有很弱的相互作用。弱相互作用对这些粒子形成暗物质是有利的，但也使研究这些粒子变得十分困难，它们能直接穿透地球和太阳，更不必说实验室里的探测器了。由于天文观测只能直接提供大而亮的天体的数据，而对又暗又小的粒子无能为力，天文学家只好借助观测一种不度小、呈球形分布的星系——矮球队状星系，来推断暗粒子的性质。 在银河系周围，有六七个矮球状星系，它们距离银河中心大体在20~60万光年之间。它们处在银河系的引力场中，而不被银河系的潮汐力所瓦解，可见它们的质量不可能太小。另外，矮球状星系光度不大，可知其中发光物质不多，暗物质一定不少。还可进一步推断，构成暗物质的粒子的静止质量必定较大，否则就不可能留在这种矮小的星系里。由此猜测这种暗物质十有八九是引力微子或光微子。 暗物质的存在会严重威胁到广义相对论，爱因斯坦在创立广义相对论时，显然是没有考虑到这些暗物质的，作为一个精密的理论，是没有理由不预见到这么多的暗物质的。 而用暗物质对物体的碰撞来说明万有引力，正是需要部分暗物质与物体的碰撞，破坏了暗物质的各向同性才能产生。因此，在某种意义上，这种万有引力的起源，已经预见到了暗物质的存在。 |