解决宇宙难题的三个方程

作者: Zwicky

来源: 原理

发布日期: 2024-01-06 20:35:30

本文介绍了三个解决宇宙难题的方程,包括德雷克方程、弗兰克和沙利文的新方程,以及MOND理论和ER=EPR猜想。这些方程和理论试图解释宇宙中先进文明的存在、暗物质的本质以及虫洞与量子纠缠的关系。

在整个宇宙的历史长河中,除了人类之外,是否还有其他拥有先进科技文明的外星人存在?一直以来,我们都想要知道这个终极问题的答案。基于德雷克方程,Adam Frank和Woodruff Sullivan提出了一个新的方程。1961年,天体物理学家弗兰克·德雷克提出了一个在天文学领域无人不知的方程:N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L。

在过去的几十年里,天文学家已经对方程中的一些变量有了更好的认识,但像L这样的变量,除了猜测,能做的不多。2016年,亚当·弗兰克和伍德拉夫·沙利文消除了德雷克方程中的L,提出了一个新的等式A = [R*fpne][flfifc]= Nastfbt。在新的方程中,A被定义为“在可观测宇宙的历史上曾形成的科技物种的数量。”

在牛顿和爱因斯坦的引力理论中,对于加速度可以小到什么程度是没有限制的。

但米尔格罗姆指出,当加速度小于a=1.2×10¹m/s²时,引力并不遵循牛顿动力学的预测。上个世纪,当天文学家观测星系的运动时,他们惊讶地发现,星系转得太快了!已知的引力定律告诉我们,引力与距离的平方成反比,这就意味着距离星系中心越远的天体,受到的引力越小,其绕行速度也越慢。但观测却告诉我们,天体的速度在超过特定的距离后就会开始趋于平稳,而不是像预期那样下降!

这样的发现非常令人困惑,因为如果仅用星系内部所包含的可见物质计算,那么星系应该分崩离析才对。但这样的事情并没有发生,那么究竟是什么在“守护”着星系?一个简单的解决方案是,也许宇宙中存在着大量不可见的物质,即所谓的暗物质,提供了额外的引力,从而将星系聚集在一起而不至于被撕碎。尽管天文学观测都指向了宇宙中确实存在暗物质,但迄今为止,没有人知道暗物质的本质究竟是什么。这也为其他的可能性留下了机会。

1981年,米尔格罗姆提出了“修改的牛顿动力学”(MOND理论),试图通过修改引力物理学来消除暗物质。该理论假设在星系尺度上,引力与标准的牛顿引力不同。MOND理论引入了一个基本的加速度标a,当加速度小于a时,引力场就会与牛顿的理论预期有很大的偏差。利用一些与银河系性质相似的圆盘星系的自转曲线,a的值被确定为1.2×10¹m/s²。

MOND理论可以很好地解释星系旋转的数据,但它的初始形式无法解释当遥远的光在经过星系时发生的弯曲(即引力透镜效应),而暗物质却能做到。为此,物理学家发展了相对论性MOND模型,可以与透镜观测相匹配。过去,MOND理论得到了一些天文观测的支持,也被一些天文观测否定。我们无法确认它是否是对的,但只要暗物质没有被找到,那么它就永远有机会。

ER=EPR猜想认为,由广义相对论预言的虫洞与量子纠缠是等价的。

1935年,爱因斯坦和他的助手罗森在广义相对论的框架下研究黑洞,首次提出“爱因斯坦-罗森桥”的概念。这座桥,实际上是连接了时空中两个不同区域的通道。上世纪50年代,物理学家惠勒将这座奇幻的桥命名为“虫洞”。尽管广义相对论允许虫洞的存在,但物理学家还从未在宇宙中观测到虫洞。而且,与我们在科幻电影中看到的虫洞不同,根据广义相对论,虫洞是不可穿越的——这意味着物体不能通过虫洞。

然而在理论上,具有负能量密度和负压的奇异物质可以打开虫洞,并使虫洞变得可穿越。同样是在1935年,除了提出虫洞的论文之外,爱因斯坦和罗森还与波多尔斯基合作发表了一篇论文,在那篇论文中他们指出,两个相距遥远的粒子(即使是位于宇宙的两端)之间存在着某种关联:对其中一个粒子的状态进行测量,就能立即知道另一个粒子的状态。这种“鬼魅般的超距作用”被称为量子纠缠。

过去,虫洞和量子纠缠被视为是完全独立的两个概念。但在2013年,马尔达西那和萨斯坎德提出了一个对偶性:ER=EPR。在物理学中,对偶性指的是有些模型虽然看似不同,但却能被用于描述等价的物理。而ER=EPR也就意味着,虫洞(即“ER”)与纠缠(即“EPR”)实际上是等价的。任何两个通过纠缠连接在一起的粒子,它们实际上就是通过虫洞连接在一起的,反之亦然。

如果ER=EPR猜想是成立的,那么它就可以帮助物理学家解决一个终极难题:如何用量子物理学的语言来描述引力。

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