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[建议] 量子引力和宇宙论2

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发表于 2016-9-4 10:31:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
现代物理学的核心是相对论、非定域实在论量子力学、希格斯机制基本粒子结构理论、现代宇宙学。物理学整体陷入困境,是指这五个领域的现代理论出现了重大问题。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 04:28:16 | 显示全部楼层

麻烦了

在大多数星系中,结果与直接观测到的物质相矛盾。现在我可以详细地说说偏差出现在什么地方(为简单起见,我只讨论螺旋星系)。在发现问题的每个星系之中,只有在一定轨道以外运动的恒星才受影响。而在那个轨道之内则没有问题——那里的加速度和可见物质引起的一样。所以,星系内部似乎存在一个区域,其中牛顿定律依然成立,而不需要暗物质来帮忙。在那个区域以外,事情就麻烦了。
如果米尔格鲁姆是对的,那么特殊轨道以外的恒星之所以加速更快,是因为它们经历着比牛顿引力预言更强的引力。这是崭新的物理学。应该说,MOND在星系外的表现并不好。我们有很多大于星系尺度的星系质量分布和运动的数据。在这种情况下,暗物质理论比MOND对数据的解释要好得多。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 04:33:00 | 显示全部楼层

物理学的困惑

李·斯莫林教授在他的《物理学的困惑》一书中列举出了当今理论物理学存在的五大问题:从导致宏观(宇观)和微观割裂的广义相对论与量子力学不能统一的问题、量子力学的基础问题、不同的粒子和力能否统一问题,到以两大理论体系(量子力学和广义相对论)为基础、精耕细作搭建起来的两大标准模型(粒子物理标准模型和宇宙学标准模型)中为何出现那些自由常数以及由暗物质和暗能量带来的问题等。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 04:35:04 | 显示全部楼层

五大问题

关于理论物理,每个人都可以有自己的“五大问题”。在很多新理论里都有着自己对物质世界各种各样的解释,因此很可能各不相同。但不可否认的是,这五个问题之所以成为问题,是因为在这些问题上人们还远未能达成共识,这些困惑也深刻地影响了主流理论物理的发展,因此称之为物理学的困惑,应该并不为过。
“因为简单的理由,大自然显而易见是统一的。我们所在的宇宙是相互联系的,因为万物都发生相互作用。我们决不能有两个分别覆盖不同现象而毫不相干的理论。任何所谓的终极理论都必须是一个完备的自然理论,应该囊括所有我们知道的东西”——斯莫林。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 04:53:45 | 显示全部楼层

修改引力理论

要解释我们在宇宙中观察到的引力现象,暗物质其实并不是唯一方案。还有人试图通过修改引力理论来达到相同的目的。最著名的莫若“牛顿引力动力学修正(MOdified Newtonian Dynamics,MOND)”及其衍生观点了,它们是最为流行的暗物质替代方案。要理解这些观点,我们必须先回到1800年代,回到“质量丢失”之谜出现之前。那时存在着另一个谜团——天王星和水星之谜。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 04:57:13 | 显示全部楼层

再次出人意料

时间快进到1970年代,科学的观测方法在Vera Rubin的引领下有了飞跃。我们已经可以通过观测单个星系——尤其是侧对着我们的星系——来测量它们的自转速度。持续旋转的星系一侧面对我们而来,会产生蓝移;另一侧背对我们而去,会产生红移。我们原本希望能够发现和太阳系类似的情况——越靠内,恒星的运动速度越快。但结果再次出人意料。无论离开中心有多远,星系各部分的自转速度都是一个常数。什么原因?同样有两种可能——要么引力定律需要完善,要么我们必须假设存在一种看不见的质量。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 05:00:13 | 显示全部楼层

相当管用

“牛顿引力动力学修正”是Moti Milgrom于1981年提出的,他发现只要把牛顿引力定律中的加速度作极小的改变——比如1纳米每平方秒的改变——星系自转曲线就可以得到解释,而且对所有星系都有效。单从这一点来说,它的确管用,而且相当管用。暗物质,则是从另一种可能性入手,假设在标准模型普通粒子之外,在一切由“质子、中子和电子”构成的普通物质之外,还存在着一种新型的物质。为了解释星系的自转现象,我们必须假设星系沉浸在一个巨大的,由一种不会和光发生作用,不会和电磁力发生作用,既无法自己聚集在一起,又无法和普通物质聚集在一起,只会和引力发生作用的物质构成的晕。这就是暗物质观点。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 05:07:03 | 显示全部楼层

牛顿引力动力学修正

暗物质也能够解释星系的自转曲线,但表现得没有前者那么好。用最简单的暗物质模型进行的暗物质晕数字化模拟结果和实际观测结果并不完全吻合;理论模型中晕的中心过于致密,而外围过于蓬松。(专业上称为等温超出预期。)如果我们只考虑星系的自转曲线,那“牛顿引力动力学修正”显然走在了前面。
  但宇宙很大,也是一个整体。假如我们想要像广义相对论取代牛顿定律那样,提出一个新的理论,就必须遵守三条基本规则:
1.它必须能够继承原有理论的所有成就;
2.它必须能够对新现象或新事件进行解释;
3.它必须能够作出新的预测,且这样的预测能够通过实验或观测加以验证、确认或排除。这是新理论独特性的关键。而原有理论的成就体现在很多方面。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 05:11:29 | 显示全部楼层

失败

……在所有这一切面前,“牛顿引力动力学修正”都遭到了惊人的失败,要么提供不了预测,要么预测结果与数据严重相悖。也许只有不把它当成一种完整的理论,而只是一种对现象的解释,“牛顿引力动力学修正”才有存在下去的理由。有许多人致力于开拓“牛顿引力动力学修正”,以使它能够解释人们在现实宇宙中的观测结果,但到目前为止无一成功。包括Bekenstein的“张量-矢量-标量引力(TeVeS)”、John Moffatt的“引力修正(MoG)”等。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 05:13:55 | 显示全部楼层

得到了证实

假如我们保留爱因斯坦的引力定律,而只是加入一个新的要素,加入这种不会发生碰撞的“冷”暗物质,一切都可以得到解释,包括某些惊人而新奇的差异。我们可以解释宇宙大尺度结构中的集群方式,包括巨大的“曲线”形态,以及曲线中的“涟漪”。只要我们假设宇宙中存在五倍于普通物质的暗物质即可。最值得关注的,是我们可以由此获得一个新的预测:两个星系团发生碰撞时,星系团内气体的温度会升高,速度会慢下来,并释放出X射线(粉红色),而我们通过引力透镜测得的质量(蓝色)会因为暗物质的存在而与产生X射线的区域发生分离。这个预测已经在过去十年的观测结果中得到了证实,成为一种能够证明暗物质存在的、最令人惊叹的间接证据。
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 楼主| 发表于 2016-9-5 05:17:17 | 显示全部楼层

有野心的计划

“牛顿引力动力学修正”在某些方面的确胜过暗物质假说,它能够比暗物质更加成功地解释星系自转曲线,到今天为止依然如此。但它仍然不能成为一个物理学理论,它也无法与我们的全部观测结果保持一致。暗物质理论之所以如此著名,是因为它能够通过最少的修改,对整个宇宙中所有相关现象作出一致性解释。“牛顿引力动力学修正”可能是一个线索,也许能够启发出一个更为完整的引力理论,的确也有不少人希望有一天能够由暗物质派生出“牛顿引力动力学修正”现象学,真是非常有野心的计划!
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 楼主| 发表于 2016-9-5 05:44:35 | 显示全部楼层

形散而神不散

从量子引力的角度看,冷暗物质模型和MOND不矛盾,正是有了暗物质晕的帮助,量子引力才能够约化成“牛顿引力动力学修正”。另一方面,将对径点等同起来,代表的是量子引力的交换力,交换力与质量成反比,所以对于交换力的贡献,暗物质粒子比普通天体大得多。银河系是一个牛顿-庞加莱凝聚体,银河系是相当动荡的,恒星不是老老实实沿银道面运动,而是像海豚一样上窜下跳的,银河系的边缘像烧焦了的CD,银盘像是在海面上漂浮的一张纸;正是因为有了牛顿-庞加莱凝聚,银河系才能够在一个高度动荡的环境下保持着形散而神不散。
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 楼主| 发表于 2016-9-6 04:11:32 | 显示全部楼层

物理学陷入困境:接下来该怎么办

布赖恩·格林:美国哥伦比亚大学的理论物理学教授,他被公认在超弦理论中做出了很多具有开拓性的发现,他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,著有《优雅的宇宙》《宇宙结构和优雅宇宙》等书。布赖恩·格林在《物理学陷入困境:接下来该怎么办》一文中表达的还是一位正统的物理学家对物理学现状的忧心忡忡,而且是“泛泛而谈”,没有对现有理论的批判,更没有指出该怎么做的细节。他对相对论和非定域实在论量子力学的是完全赞同的。
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 楼主| 发表于 2016-9-7 09:15:16 | 显示全部楼层

倒转

在美国好莱坞灾难影片中,有一部灾难片假想地球磁场崩溃后的场景。而真实的地球历史上,确实多次出现磁场减弱甚至磁场发生倒转的现象。在过去的1.6亿年中,地球的磁场经常发生倒转,地磁南极变成地磁北极、地磁北极变为地磁南极的事件频繁发生。地球磁场逆转是全球科技界共同关注的重大课题,那么,地球磁场为什么会倒转呢?
为了解释地球磁场为什么会倒转,美国科学家提出了一个假说,这个假说认为,地球磁场代倒转是地核与地幔边界处的物质的“大雪崩”造成的。地球的地核分成内地核和外地核两部分,内地核是固态的铁芯,如月球般大小;外地核则是液态的铁,如火星般大小。地核之上的地幔层由密度很大的岩石组成,它和固态的铁芯把液态的外地核夹在中间。在液态的外地核与岩石质的地幔之间是不规则的边界面,也有地形的起伏,这和地球表面起伏不定的地貌类似。
多数地质学家认为,地球的磁场产生于外地核液态铁的对流,液态的铁流动起来,相当于电流的性质,而电流能够产生磁场,外地核的物质对流可能是由于铁在内地核表面结晶所导致的。地下5000千米深的地方,是内地核与外地核的交界处,在这里,外地核液态的铁时时结晶为固态。在这个过程中,液态铁里含有的一些密度轻的成分,比如氧、硫和硅,被释放并上升到距离地面2900千米深的核幔边界处。
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 楼主| 发表于 2016-9-7 09:29:47 | 显示全部楼层

小行星

核幔边界处的温度比内地核表面低1000°C左右,因此那些轻的成分在核幔边界冷却,并浓缩成泥泞的沉积物。每100万年大概会堆积出几十米厚的沉积层,这些沉积物向上“落”在地幔下表面不平坦的地形上。由于核幔边界的地形起伏不定,有的地方比较陡峭,沉积物甚至会沿着斜坡滑动。在轻密度沉积物上升的过程中,沿途会使外地核的液态铁向内地核的方向流动,碰到坚固的内核后,液态铁流又会返回。
科学家猜测,铁流的往返运动使地球出现了磁场,在正常时期,磁场是稳定的。沉积物的积累和滑落过程每时每刻都在发生,液态铁流的往返运动同样也是每时每刻都在发生,但是地球磁场的倒转却并不是那么频繁的。因此,地下铁流和沉积物正常的上升和下落并不会强烈地改变地球磁场,只有那些剧烈的地下物质“大雪崩”,才会使地下发生翻天覆地的变化,导致地球磁场发生混乱,甚至出现磁场的倒转。上涌的物质流还会加热地核之上的地幔,让一些岩浆奔涌到达地球表面,形成大面积的火山岩。
一些科学家认为,小行星撞击地球是地磁倒转的根本原因。
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 楼主| 发表于 2016-9-8 05:16:28 | 显示全部楼层

恐龙

小行星撞击地球会带来生物大灾难。人们发现,伴随着小行星的撞击,地下岩浆会喷涌出来,形成面积广大的玄武岩。撞击是如何使地下物质以岩浆的形式喷出,形成玄武岩覆盖地球表面的呢?科学家认为,小行星或慧星撞击地球后,核幔边界处的沉积物被震荡,热的铁流会在某些薄弱处与地幔接触,迅速加热地幔物质,产生的岩浆上升到地壳的缝隙处,喷涌上来形成大面积的玄武岩。小行星或彗星倾斜地撞击到地球上,使地球磁场在几千年中崩溃,撞击甚至造成了地下物质上百万年的震荡,导致地球磁场缓慢地重建,地球磁极再次形成,发生了倒转。
有些学者质疑,引起恐龙灭绝的星体撞击事件确实曾伴随着印度德干高原的大面积的玄武岩的出现,但是当时却并没有发生地磁的倒转,这又该如何解释呢?
科学家认为,原因很简单,6500万年前的那次撞击是一次直立撞击。
造成恐龙绝灭的那颗星体撞到了中美洲尤卡坦半岛上,形成了一个大型的撞击坑。地质研究显示,尤卡坦半岛的大型撞击确实是直立撞击的产物。直立撞击不会在地幔和地核边界产生水平方向的分力,因此无法造成沉积物大雪崩,也就不会出现地磁倒转。而倾斜撞击则不同,一次大的倾斜撞击将强烈地影响核幔边界的沉积物状态,引发地磁倒转。
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 楼主| 发表于 2016-9-9 05:36:32 | 显示全部楼层

蒙对了一半

因此我们认为牛顿引力子可能是中微子和反中微子的束缚态,这代表了加法∨。不过,超弦理论的全息原理算是蒙对了一半,这样说来超弦理论可以算是我们脑筋不正常的好兄弟。超弦理论的全息原理认为在黑洞的视界上,引力场和规范场对偶。视界的看法正确,因为费米子的质量起源于视界,但统一场论的视界是个虚拟的视界。一对Weyl方程代表乘法,引力代表加法,乘法与加法的对偶就是规范场与引力场的对偶。不过我们得到的全息原理意外地简单,轻子数和重子数守恒定律就是引力的全息原理。
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发表于 2016-9-9 13:06:35 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2016-9-11 06:12:27 | 显示全部楼层
综上所述,目前为止,人类对地磁场的认识过程可以分为以下5个阶段:1.人类认识到有磁性存在,再认识磁性物质具有指极性;2.认识到地球相当于一个大磁球体,具有地磁场,并认识到磁要素;3.将数学的球谐分析方法引进地磁场,通过磁要素计算知道地磁场主要来自地核及核-幔边界,并建立现代地磁学;4. 建立地核及核-幔界面系统的发电机假说;5.认识到核、幔的相对自转运动,也即地核及核-幔界面发电机系统相对于地核外磁场的自转运动。但是,地核为什么会相对于地幔自转运动(如加快)?地核相对地幔自转运动(如加快)的能量来自何处?也就是地磁场的能量来自何处?一直是悬而未决的地球物理学重大难题[陶世龙等,1999;Stix and Roberts, 1984; Jault and Le Mouël, 1989; Jault and Le Mouël, 1990; Love and Bloxham, 1994; Holme, 1998]。但这又是地磁场诸多问题最终得以解决必须回答的问题。因此我认为,双圆盘发电机中至少一个圆盘是自旋,这从双重对偶变换可以推导出来,自旋不会衰减,没有能量耗散问题,这样基本上可以解释地磁场起源问题,又可以极大地缓解能量来源的问题。
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 楼主| 发表于 2016-9-12 04:47:34 | 显示全部楼层

牛顿引力存在吗?

牛顿引力存在吗?乍一看,你可能认为这个问题很无聊,是一个无需经过大脑的问题。地球上的每一个生命、每一座山、每一条小溪与河流,每时每刻都真真切切地感受到牛顿引力的作用,牛顿引力怎么可能不存在呢?采用超距作用的牛顿引力论也能够推导出牛顿引力,但问题在于引力肯定是量子化的,按照规范场论量子化的一般步骤,实施一个洛伦兹规范条件(横向规范条件)就会得出牛顿引力并不存在的荒唐结论,因为牛顿引力子不是横向极化的。
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