互动科普

修正相对论

有些物理学家试图超越爱因斯坦

Graham P. Collins

爱因斯坦的按义相对论，作为物理学中最坚实的核心理论之一，创立已经97年，它与量子力学一起构成了粒子物理标准模型的基础。当和引力理论结合时，它就转变成了广义相对论，这个理论描述了控制着黑洞、宇宙膨胀和GPS卫星轨道微细结构的规律。虽然，一些科学怪才总是叫嚣着已经拓展或废除了相对论，但是很少有具备坚实基础的理论物理学家敢于直接修改它的基本结构。然而最近，一小群物理学家提出一种从根本上修补相对论的方法已经准备就绪。

此建议的基本改变是，对整个理论引入了一个除了真空中的光速“c”以外的二级“标度”。光速对所有的观察者都是常数c，这是相对论的基础。当物体相对速度达到c时，时间膨胀和长度缩短等奇怪现象就变得很明显。

量子引力有它自己特殊的尺度：普朗克能量。普朗克能量由光速c和量子效应的大小及引力的强弱唯一定义。对于一个基本粒子，普朗克能量比任何宇宙射线和加速器中产生的射线能量都要大得多。当粒子获得和普朗克能量相当的能量时，现存的物理理论将失效，而还无定论的量子引力理论将发挥作用。此时展现出时空"泡沫化"的奇怪现象。该预测给相对论提出了难题，因为相对运动的不同观察者，无法在粒子是否到达普朗克状态上达成一致意见。一个观察者看到一个粒子在连续时空中正常平稳地运动；而另一个却看到这个粒子跳跃在粒子泡沫中，这怎么可能呢?

罗马大学的Giovanni Amelino­Camelìa于2000年提出了一种相对论的修正方案，在此，它引入了最小长度标尺(一个和普朗克常量相对应的被称作普朗克长度的极小距离)。因为这个理论存在两个完全独立的尺度——c和普朗克长度，所以Amelino-Camelia称这个理论为"双狭义"相对论。在由修正方程描述的世界里，接近普朗克长度的极短波长，变得越来越不容易显现出长度缩短现象；这种改变也引起极短波长的光以比光速稍快的速度传播。由该理论预言的改变可通过将于2006年发射的轨道望远镜GLAST观测超高能量的宇宙射线或伽马射线来检验。

伦敦帝国学院(Imperial College)的Joao Magurijo、加拿大安大略省Perimeter理论物理研究院的Lee Smolin提出的一种更新的双狭义理论，它改变了粒子跃迁到更高能量时获得能量和动量的方式。Smolin和Magurijo预言说，加速粒子逐渐达到普朗克能量的过程与大质量粒子加速达到光速的渐进过程是相同的。Smolin和Magurijo的理论带给物理学的改变比Amelino-Camelia的要少，因此不可能很快得到实验验证。此外还有其他的一些双狭义相对论理论。

对能量和动量的调整比对距离的影响好理解。想象用一个具有普朗克长度的尺子测量棒球棒。运动的观察者将看到球棒由于相对运动而缩短，但是如果普朗克长度是不变的，小标尺子就不会受到影响。标尺的长度不能用普通的算术累加；能量的累加也要运用一个类似的复杂方式。

加州大学戴维斯分校量子引力理论学家Steven Carlip评论道，双狭义相对论是一个有趣的想法。但他质疑说：“他们对量子引力理论这个复杂问题想找一种过于简单的答案。”“但是”，他补充道：“但愿我错了。”

【崔琳琳／译；李爱珺／校】

双狭义相对论中的棒球当棒球是双狭义意义的粒子时，这个奇异的双狭义效应域值能量只作用于基本粒子，而不作用于有基本粒子构成的物体。普朗竟能量用质量来表达，仅相当于20微克。棒球的质量远远大于这个质量，而没有展现出任何跨普朗克区域的奇异行为。只有当棒球运动速度达到极其接近光速的时候，构成棒球的基本粒子也许会获得巨大的普朗克能量，展现出新奇的双狭义相对论效应。