如果引力可以导致时空扭曲,那其他的力可以吗?

bdqnwqk4个月前问题16

答:目前没有任何理论,可以把另外三种相互作用几何化,所以题主的想法很好,可惜很难实现。

我们知道,爱因斯坦在1915年提出广义相对论,用空间弯曲来解释引力的本质,并且获得了巨大的成功,比如爱因斯坦的引力场方程:

可以理解为:能量张量-动量张量=空间的弯曲情况;

方程左边,其实就是物质的分布情况,右边是空间的几何化处理模型;广义相对论描述,引力的本质就是空间弯曲,而不是空间弯曲导致引力,这两种描述是有本质区别的。

在当时,人类已知两种相互作用只有引力和电磁力,爱因斯坦把引力几何化成功之后,也曾试图把电磁力统一进来,而万有引力和电磁力有相似之处,比如弱近似条件下,两者都和距离的平方成反比。

爱因斯坦试图把物质处理成空间极度弯曲的结果,经过一番努力后,并没有取得成功;实际上过了100多年的今天,电磁力的几何化都以失败而告终。

反而在后来,强相互作用和弱相互作用的发现,科学家们利用量子力学,把电磁力、强力和弱力给量子化成功,三种相互作用统一到了一起,唯有万有引力没有包含进来。

量子引力论的科学家,也试图把引力量子化,其中的关键,就是引力的传递粒子“引力子”,目前还没有任何实验发现引力子的存在,而且广义相对论和量子力学本身就存在矛盾点。

所以目前的理论下,解释引力最佳的还是广义相对论的几何化方法,其他三种相互作用使用量子化处理方法;如果谁能把四种相互作用统一到一起,那绝对会是科学界的头等大事。

这样的理论被称作“终极理论”,目前,在各种前沿理论中,有一个超弦理论非常被看好,据说已经调和了相对论和量子力学的矛盾,但是目前还无法对其进行实验验证。

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理论上应该可以,事实上也很多人在这方向上努力。最早进行这一尝试的当然是爱因斯坦了,他最早提出的狭义相对论其实是包含了电磁理论的,事实上他1905年发表的那篇狭义相对论论文的名字就叫做《论运动物体的电动力学》,然而很快他就发现自然界的另一种力——引力却无法纳入他的狭义相对论,这显然是无法接受的,后来的事大家都知道了,他直接在狭义相对论基础上把引力几何化了。广义相对论是兼容了狭义相对论,但电磁力却无法几何化。这在崇尚简单的爱因斯坦看来还是无法接受的,因此他完成广义相对论后便致力于把自然界另一种力——电磁力几何化。当然我们都知道他一生都没有成功。

但是与他同时期在努力的还有一位德国数学家卡鲁扎和瑞典物理学家克莱因,他们通过增加一个空间维度成功把麦克斯韦的电磁理论统一进了广义相对论框架。因为爱因斯坦的引力场方程是适用于所有空间维度的,只要对度规张量进行适当定义,就能得到相应维度下的曲率张量。卡鲁扎首先在1919年就进行了这一尝试,他惊奇地发现,当在时空度规里增加一个空间维,引力场方程就会多出一个方程组,恰好就是麦克斯韦方程组,也就是在五维时空里广义相对论统一了麦克斯韦的电磁理论!卡鲁扎把自己都论文寄给了爱因斯坦,爱因斯坦也很惊奇,但是一个无可避免的问题出现了——第五维在哪里?虽然这个问题没有得到答案,但由于这个证明太漂亮了,爱因斯坦还是帮他寄去发表了。后来克莱因提出了第五维是蜷曲成一个极小的维度(普朗克长度),因此我们观测不到。

不过这毕竟是建立在一个假设的基础上的另一个假设,随着量子力学的发展,很快就被人遗忘了。随着弱力和强力的先后被发现,卡鲁扎-克莱因模型的五维时空显然也不够用了。到了70年代,随着超对称理论的提出,有人尝试对广义相对论中加入超对称理论,提出了超引力理论,并最终在十一维时空下实现所有已知力的几何化。

然而后来人们发现超引力理论发现两个严重问题:一个是在某些情况下会产生无穷大;(而无穷大是没有物理意义的)另一个是在十一维时空下无法得到手征性。因为手征性要求空间是单数维的,就像我们现在所知的三维空间,而十一维时空却有双数的十个空间维。

在超对称理论的另一个方向上,弦理论学家却发展出五套不同的十维超弦理论,均成功统一了四种基本力,并且由于空间维数为单数的九维,能成功导出手征性。最神奇的是,在十维超弦理论里出现了一个自旋为2的粒子,这正是预言中的引力子,也就是超弦理论自动包含了引力。

后来威腾用一个平行空间维把五套超弦理论统一起来,由于多出的一维是连接两个九维空间的,所以空间维数实际上依然是单数维。这个包含五套超弦理论并自动包含超引力理论新理论就称为M理论。

跟卡鲁扎-克莱因理论一样,拥有十维的超弦理论和十一维的M理论自然也要面对多出的维度在哪里的问题,而他们给出的解释完全沿用了克莱因的思路——六个空间维蜷曲在微观的普朗克长度下,称为卡拉比-丘空间。