引力的秘密

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  20世纪与万有引力相关的两大科学发现之一是,1967年剑桥大学的女硕士研究生贝尔,与其导师休伊特发现一颗脉冲双星。他们通过对这对脉冲双星的运动周期的精确测定证实,与爱因斯坦的广义相对论所预言的结果一致,这对脉冲双星的运动周期的变慢速度与基于广义相对论计算的引力辐射是一致的。
  在经典物理学框架内,贝尔与休伊特的观测结果直接支持了爱因斯坦1916年发表的关于引力场理论的广义相对论,但是,引力的本质是什么,仍然是未知的。
  到了20世纪80年代,理论物理学家们认识到,要想真正揭示引力的本质,必须将引力场量子化,即将引力理论与普朗克提出的量子理论融合。在这种设想之下,理论物理学家提出了近10种将引力量子化的理论,其中最引人注目的是美国加州大学的青年理论物理学家爱德华·威腾提出的“宇宙弦理论”。该理论用“弦”的概念替代通常的“粒子”概念,将粒子之间的相互作用用弦的振动描述,在此基础上。将引力的本质描述成“弦”的振动态。
  虽然威腾的理论从物理学家角度看是一个很合理的理论,但是,要想在实验上观测到“弦”在目前看来根本不可能。因为在威腾的理论中“弦”的几何尺度只有10米~30米的尺度,近似所谓的“普朗克尺度”,所以到了20世纪末,理论物理学家们几乎失望地又回到老路上,引力是否可以量子化的难题仍然如故。
  俗话讲.“柳暗花明又一村”,虽然引力量子化的各种努力目前看来仍然是徒劳的,但进入20世纪90年代,天文学的观测发现为人类重新认识引力打开了一扇大门。这就是继贝尔和休伊特的发现之后的可称上20世纪关于万有引力的第二大发现——宇宙暗物质与暗能量的存在。
  由于暗物质是目前采用光学与射电天文望远镜都无法直接测知的物质,这里自然使物理学家们联想到,这类物质是不和电磁相互作用的传播载体——光子相互作用的。而我们知道,通常情况下光子是直接与物质发生相互作用。暗物质的这种奇特性质自然使物理学家们相信物质与光子的作用方式还有未知的特性,这些未知预示着引力相互作用与电磁相互作用在宇宙中某种神秘的尚未知的联系,这就为人类在大尺度上设想将引力与电磁力的统一提供了一个认识的入口。
  进入21世纪,新的天文观测逐步证实,暗物质在宇宙中普遍存在。同时,又发现了与暗物质相伴的宇宙暗能量约占宇宙总质量超过70%,也就是说,我们可视的宇宙中的物质只有不到30%,其余大部分是暗物质。
  美国航空航天局已将探测宇宙暗物质列入议事日程,预计2008年后5年内将会发射宇宙探测器到太空去探测暗物质,一旦人类找到暗物质为什么不与光子相互作用的实验证据,则人类离揭开引力之谜就为期不远了。
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