理论物理学

迈向量子引力

引力量子理论是当今物理学的圣杯。它将解开顽固的谜团,例如暗能量的本质。

皮埃尔·宾·伊特鲁伊 科学档案编号62
本文仅供《 对于科学》的订户使用

对撞机 h 塞恩,皮埃尔·奥格(Pierre Auger)宇宙射线天文台,这套望远镜 赫斯,未来的望远镜 st 八米和太空任务 显微镜 由...准备 锥体 有一个共同点。哪一个 ?这些科学计划有不同的动机,但是它们各自将提供有价值的信息,以解决本世纪初的基础物理学的主要问题。 xie 世纪:为了调和上世纪的两种伟大理论,量子理论以原子和亚原子的尺度描述了世界,广义相对论以恒星的尺度描述了世界。在揭示预期的线索类型之前,让我们回顾一下上个世纪取得的进展。

两个无穷

生于第一季度 xxe 世纪,广义相对论描述了万有引力。它与测量结果相匹配,具有惊人的精度。此外,它还可以理解整个宇宙的发展。宇宙的相对论性描述采用了大爆炸模型的形式,该模型在1964年因发现宇宙散射背景而得到了生动证实:这种均匀且各向同性的微波辐射是原始,高温和高温的遗迹。稠密。从1992年开始研究卫星宇宙背景的涨落 科比,迎来了定量宇宙学的时代。

同时,量子理论也揭示了它的困难与惊奇。困难之一是该理论必须遵守狭义相对论,因为粒子以接近光速的速度运动。第二次世界大战后,这一要求导致了量子场论的发展,尤其是量子涨落的概念:短暂的时间内,能量涨落可能足以产生一个粒子及其反粒子。 。因此,粒子不能从其量子涨落的过程中解离。真空本身不能通过不存在粒子来定义,因为它是波动的产物:它被定义为系统的基本状态,即能量最少的状态。

在下半年 xxe 世纪,量子场论演变为标准模型,该模型描述了三种相互作用:电磁,弱和强。多年来,以更高能量运行的粒子加速器已经探索了这个无限小的世界,本世纪以非凡的成就而告终:电子-正电子对撞机。 P, 在 塞恩,因此可以测试标准模型到最接近的千分之一。为了完成对物质知识的追求,仍然需要检测希格斯粒子,该粒子干预统一的电弱相互作用的对称性的破坏,并负责粒子的质量。这是质子-质子对撞机的任务之一 h, 在 塞恩 (请参阅希格斯和其他来自 h,克里斯奎格(Chris Quigg),第18页)。

自2000年起关闭 P,进一步测试确认了标准模型。物理学家可能会对这些成功感到满意,但他们却担心:这种模型太好了,说实话!他回答了一些问题,但不是全部。他解释了为什么粒子如此庞大,却不能证明大量物质的合理性:是什么使最重的夸克(顶部)的质量值比电子大35万倍?他建议物质与反物质之间略有不对称,但这不足以解释物质在可观察宇宙中的优势。它没有揭示宇宙中哪些粒子构成了暗物质。为了回答这些问题,高能理论家试图超越标准模型。

寻找异常

标准模型的任何泛化都会引入新的动力学,并将其与新粒子关联起来,而这些粒子太重了,至今尚未在对撞机中检测到。但是,即使能量不足以直接产生它们,它们也应该以虚拟粒子-反粒子对的形式出现在量子涨落中,并表现为间接效应。这就是顶夸克的效果在 P 在直接在美国费米实验室(Fermilab)对其进行检测之前,就可以评估其质量。也正是通过这种方式,人们可以在标准模型的框架内预测希格斯的质量,而这一发现还有待发现。

不幸的是,实验数据与标准模型保持一致,并且没有新的颗粒出现。量子波动是否受到未知对称性的阻碍?许多理论家都这么认为。一种可能的候选物,称为超对称性,与质量相同的玻色子(传达基本相互作用的粒子)与每个费米子(粒子形成物质)相关联。原则上,它补偿了玻色子和费米子之间的量子涨落。但是,甚至超对称性也必须被打破,因为在自然界中,没有玻色子与电子(费米子)具有相同的质量。因此,我们应该检测到轻微违反标准模型的情况。

同样,物理学家期望与广义相对论的预测有所偏差。例如,等价原理在广义相对论中至关重要,它假定介入体重的重力质量和惯性质量之间的完美相等,惯性质量是物体抵抗运动的原因。但是,引力场与大质量粒子的量子涨落之间的耦合会导致违反该原理。通过各种质量的物体的自由下落,显微镜的微卫星 锥体计划于2011年推出,将测试等效原理,精度为10–15.

真空能量溢出

量子理论与重力理论之间最重要的差距涉及真空的能量。在量子场论中,真空是基态,其能量固定为任意值:通常仅测量能量差。另一方面,在引力的上下文中,该值不能是任意的,因为任何形式的能量都将参与宇宙的几何形状和演化。这样就可以对真空能量进行绝对测量。

在广义相对论中,真空能起宇宙常数的作用。爱因斯坦引入了这样一个常数来获得静态的宇宙解,然后在埃德温·哈勃证明宇宙正在膨胀时将其消除。如果它是积极的,它的作用就是加速宇宙的膨胀。但是,自2000年代初以来进行的宇宙学观察恰好表明了扩张的加速。芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳(Michael Turner)巧妙地将其称为“暗能量”,是由于真空能量还是其他形式的随时间演变的能量?

暗能量将相当可观,占宇宙总能量密度的70%以上。在短短的几年中,建立了庞大的宇宙研究计划,以确定其动态特性。在社区前所未有的努力下,天体物理学家进行了广泛的调查,以绘制宇宙的大部分图景,并追溯到远古时代。他们发现了某些类型的超新星爆炸,并将其用作标准蜡烛以调查宇宙。他们研究星系的分布;他们分析了物质施加的重力微透镜对很远距离发射的光的影响。在地面上,加拿大-法国-夏威夷望远镜上的“超新星遗产调查”计划涉及几个法国团队,还有一个美国项目,它在智利开发了一个八米望远镜。 st (大型天气观测望远镜)借助私人资金(包括比尔·盖茨的参与)已经配备了镜子。在大西洋两岸, 美国航空航天局埃萨 研究非常相似的太空任务(联合暗能量任务和 欧几里得),并可能很快就此优先主题进行合作。

目前,测量结果符合恒定能量的假设,因此具有真空能量的特征。但是,该理论预测的真空能量比观察到的真空能量大得多,超过了30个数量级:这是物理学中最糟糕的理论预测!为什么会有这个差距?机制是否将真空能量归零?这个谜仍然很浓。理论家心急如焚,想出许多模型。其中一些甚至提供了人为的解决方案:真空的能量值很小,因为在任何其他情况下,都没有观察者(我们)来对其进行测量。但是,解决方案无疑是在量子理论和引力理论之间的接口上:当我们使这两种理论兼容时,我们可能对真空能的问题将没有以人类为中心的答案。

用细梳子引力

我们相信自己对重力很了解,因为我们生活在一个巨大的地球上,其吸引力不可忽视。但是,它是迄今为止最基本的力量。为了比较, h 适用于研究能量为10的弱和强电磁力12 电子伏特,但需要10的能量28 电子伏特(所谓的普朗克能量)来研究加速器中引力的量子效应。甚至引力的非量子效应也难以测试。例如,很难以非常短的距离接近足够重的宏观物体。仅仅几年前,我们根据毫米距离的平方的倒数,验证了毫米范围内两个物体之间重力的强度变化。

全世界有数个小组坚持进行这种类型的实验,因为与理论预测的任何偏离都将为发展引力量子理论提供有价值的线索。因此,在短距离上重力与距离的立方成反比的变化将表明存在额外的空间尺寸。观察不到微米级的异常,该异常的大小仍远大于原子的大小。

物理学家们也渴望在远距离测试引力定律。在太阳系的规模上,他们发现先驱探测器向太阳的加速度过大,大约为10–10 米每秒平方。有人将此异常比作旋涡星系旋转太快,如果仅考虑发光物质则无法解释,通常被解释为是由于暗物质晕圈的存在。并发解释,称为理论 世界 (对于 牛顿动力学),其中包括修改力与加速度之间比例关系的经典牛顿关系。在宇宙学尺度上,宇宙膨胀的最新加速也可能归因于引力的变化,使我们摆脱了暗能量假设。

当然,人们不容易修改一种理论,使其具有与广义相对论一样的鲁棒性。当心鲁who的冒险者:他会在途中遇到被称为快球(比光速更快的粒子),幻影或不连续的怪物,这会破坏他的努力。但是,仅因为很难找到替代理论并不意味着它不存在:您可以借助磁铁在大海捞针中找到针!

如果在通常情况下重力很弱,在特殊情况下,特别是在黑洞附近,重力会变强。当然,任何足够接近黑洞的物质都不可避免地掉入黑洞,但是就在没有返回区域之前,即所谓的地平线以下,天体可以无限地绕黑洞运行。黑色。高能天体物理学对这些最后稳定轨道的观察开始使我们了解这一区域的强引力场。我们还将获得信息,这要归功于观察到两个相互作用的黑洞发出的引力波,其中包括太空任务。 丽莎 (请参阅第44页的É。Parizot所著的《宇宙,无与伦比的实验室!》)。此外, 丽莎 将测试标准模型和弱电对称性破损(请参见反面的侧栏)。

其他修订是可能的。通过假设真空中光速的恒定性,相对论的特殊理论将空间和时间联合成一个单一的实体,即时空。在引力量子理论中,量子涨落很可能会推广到时空本身,并导致违反狭义相对论。例如,并非所有光子都会以光速传播。在高能伽马光子观测站中,人们寻求光子速度的低色散,例如 赫斯 (高能立体视觉系统),在纳米比亚或望远镜 魔法 (主要的大气伽马成像切伦科夫成像),位于加那利。

寻找尺寸

一些修订显得更加激进。在1920年代,首次尝试通过电磁力将引力统一起来,引入了附加的空间维度:在空间的三个维度中,时间的维度又添加了第五个维度(请参见爱因斯坦和the论,由C. Goldstein和J. Ritter撰写)。到目前为止,第五维不可能与其他维具有相同的性质:它必须是微观的,甚至是亚微观的(请参见上图)。

当弦理论出现时,超尺寸的想法在1970年代再次出现。后者将基本粒子(零维物体)描述为一维微观物体,弦线的本征振荡模式,其中一些弦线是开放的(它们有两个末端)而其他弦线是闭合的(它们形成了回路)。缺点:要成为量子并且包括超对称性,弦论必须处理一个十维时空(九个空间和一个时间)。优势:在闭合弦的振动模式中,粒子扮演引力子(重力相互作用的载体)的角色,这使弦论成为重力的量子论(请参见《弦世界》,专访)与加布里埃莱·韦内齐亚诺(Gabriele Veneziano),第102页)。

长期以来,理论家一直认为弦论的超数空间维度是亚微观的。但是,在2000年代初,米糠概念的引入导致尺寸可能超出想象。黄铜是先验微观的表面,开放式绳索的末端在其上移动。它们是非重力力的所在地,而与闭合弦的振动相关的重力也作用于琴体外部。假设骨骼不是微观的,而是占据了整个可见的四维宇宙:如果存在其他维,则只能通过重力来体验。但是,我们无法识别小于一微米的重力。这就使我们的人类宇宙外部存在的尺寸达到微米级的可能性成为可能。我们的仪器依靠电磁力(我们的五个感官)和弱或强(加速器)力的使用,无法告知我们这一点。

这种可能性将如何发展?如果额外尺寸足够大,则重力的量子效应将以比普朗克能量低得多的能量体现出来。精确地,如果它们约为微米,则多维量子引力的域将变得可访问... h。该假设令人兴奋,但请记住,它受到许多条件的约束:它需要额外的空间尺寸,尺寸很小,但不超过一个原子,并且只能通过重力来探索。在这种情况下, h 会产生足够的能量密度,从而局部引起重力坍塌并产生微小的黑洞(请参见上方方框)。

隧道尽头的起源?

最终,量子引力可能会告诉我们有关大爆炸的信息。当我们回到过去时,宇宙变得越来越热,越来越密集,直到热能与普朗克的能量相对应。除此之外,它是量子引力的领域。任何勇于在当前未知领域中应用当前理论的人都会遇到无穷数量:最初的奇点,即空间概念失去其意义。从哲学上讲,我们以知识的绝对前沿来接受。但是,当我们解决了重力量化的奥秘时,我们会发现什么呢?奇异性会消失吗?还是我们可以“穿越”它并回到大爆炸之前的时代?

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

我们的最新出版物

回到顶部

已经有帐号了?

身份证明

标识自己可以访问您的内容

看到

还没有帐户 ?

注册

注册以激活您的订阅或订单问题。

创建我的账户