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弦理论是否依然是万物理论的有力角逐者?

2019-11-10 来源:xnbbs  阅读:7次

答案是肯定的。然而实验已经表明,弦理论至少有一部分是错误的。美国“信使”号水星探测器已经飞往水星,绕其轨道运行了几年并进行了一些很有趣的测量。我们可以简单地考虑这样一个思想实验:假如太阳质量会变化的话,世界将会变成什么模样?而事实上,太阳质量也确实是在变化。

众所周知,太阳是一个核聚变反应堆,太阳中的氢元素通过聚变反应转化为氦元素,在这个过程中,太阳会损失一部分质量(大约是每秒损失四百万吨,当然,与太阳的总质量2×10^27 t相比的话,这些损失的质量根本不算什么,但太阳质量确实是在减少),那这些损失的质量到哪里去了呢?答案是它变成了能量。因为引力场与质量是密切相关的,而太阳正在通过向外辐射的方式减少质量,因此太阳的引力场其实也在改变。

你如果想测量出引力场的这些变化,只需要一个十分精密的测量仪器就足够了。但太阳辐射只是太阳质量减少的一个原因,还有一个原因就是太阳风。太阳风通过从日冕向外抛射等离子体带电粒子流也会损失一部分质量。因为太阳质量的减少,太阳和水星之间的引力动力学就必定会随时间改变。

如前所述,要想测量出太阳和水星之间的引力动力学的微小变化,你同样只需要一个十分精密的测量仪器就足够。当然了,你所测量得出的结果也必定是和弦理论的预言相符合的。我们现在已经确切地知道太阳质量会改变这一事实,太阳质量的改变不仅会导致前面所提到的太阳引力场和太阳和水星之间的引力动力学的变化,还有一个显而易见的变化就是水星轨道的必然改变。这也是“信使”号水星探测器所要测量的。水星轨道变化还有我们太阳内部的核聚变过程都依赖于一个常量,即引力常量G。

根据大统一场理论,例如超弦理论,引力常量G应该随着时间的推移而逐渐改变。“信使”号水星探测器利用广义相对论作为工具来探测引力常量G的这种微小变化。广义相对论预言,质量能使时空发生弯曲,这就意味着,穿行于时空之中的电磁辐射必然会弯曲进入到这样的一个时空凹地(即弯曲的时空),当电磁辐射在弯曲时空之中穿行了一段距离后又会穿行出来,再继续进行直线传播。

但是,先让我们来作个假设,假如我们把在电磁辐射传播路线中存在的质量统统移走,结果会如何呢?我们知道,假如没有质量的话,时空就是平坦的,那么在平坦的时空之中传播的电磁辐射自然就应该按直线路线行驶。两相对比,我们很容易发现这样的事实,即相比于电磁辐射在弯曲时空中进行曲线传播而言,在平坦的时空之中进行直线传播的电磁辐射所花的时间明显更短。

因此,分别按照这两种方式(即传播过程中有无质量)传播的电磁辐射其传播时间是不同的,并且很显然,传播时间更长的辐射是由于质量的存在而导致了传播时间的延迟。因为“信使”号水星探测器是一个不断发送信号的数字发射器,因此我们便可以在地球上接收、处理、分析这些传向地球的数据,并作出某些与延迟时间有关的剖面图,进而可以测量出我们太阳系内时空的逐渐变化。

比如,我们发现,由于太阳质量的不断损失,地球正以每年1.5 cm的速度远离太阳。听起来是不是感到有些疯狂或是不可思议?“信使”号水星探测器进行了为期7年的测量,并且确实有了某些发现,除了对水星轨道进行的精确测量外,还发现了在这7年之中,通过对引力常量G非常精确的测量,结果表明引力常量G完全没有发生变化。

雷达回波时间延迟

图解:广义相对论认为光子靠近引力场时,就会发生时间延迟效应。光线轨迹在引力场中弯曲, 使得其路径延长。这种弯曲现象可以等价地看成是一种折射,相当于有效光速减慢,因此从空间某一点发出的信号,如果途经太阳附近,到达地球的时间将有所延迟。这一想法首先由美国物理学家夏比洛(Shapiro)于1964年提出,由此来检验广义相对论是否正确。 从地球向行星发射雷达信号,接收行星反射的信号,测量信号往返的时间。

如果太阳正好处于行星和地球的连线,那么信号往返时间较没有太阳的情况变长。如此,可以检验空间是否发生了弯曲,是否有时间延迟。 1960年代美国物理学家克服重重困难,完成了有关实验。 研究小组先后对水星、金星与火星进行了雷达实验,证明雷达回波确有延迟现象,太阳质量导致的雷达波往返的时间延迟将达到200毫秒左右, 结果与广义相对论预言相符。

图源:百度

到现在为止,尚没有任何仪器测量得到的引力常量G值可以和“信使”号水星探测器的测量结果相媲美。当然了,我们可以说“信使”号水星探测器7年的测量时间并不长。确实如此。但是,如果在这7年时间之中经测量得出了非常精确的结果,那么你自然可以根据这些结果而向前推到更长的时间。如此你就会发现,引力常量G这一自然常量,其波动范围非常、非常之小。

我们必须说一句,所有试图验证自然常量到底是不是恒定不变的那些实验,无一例外地,其实验结果都是肯定的,即所有的自然常量确实就是恒定不变的常量。这一结果是如何得到的呢?当你深深地凝视着天空,你其实是在凝视着这样的天体:它距离你非常遥远,你此时所看到的星光是它在百万、千万甚至亿万年前就发出来了的。

从你所凝视的这些星光的辐射性质,我们可以了解到很多东西,比如,在天体正准备开始发出星光的时候,其原子内部的辐射过程究竟如何?要知道这些辐射过程可是产生了我们如今所测量的辐射。自然界中变量是有很多的,但是,所有实验都表明,在我们可能的测量范围之内,自然常量是恒定不变的。你甚至可以尝试在实验室中通过对辐射光谱万分精确的测量来验证它。

图解:引力常量G 图源:百度

如今,这项工作也可以利用激光非常精确地完成,而这些激光实验也同样表明,自然常量看来确实是绝对恒定不变的。这样的结果对于那些预言自然常量的非恒性的理论是一个灾难性的打击。当然,对于那些理论来讲,这是很遗憾的。但或许我们应该提醒自己的是,不是理论决定着真理,而是实验决定真理。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. quora-歌者

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