谈到我们的宇宙时，人们常说“物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何移动”。这是阿尔伯特·爱因斯坦著名的广义相对论的精髓，描述了行星、恒星和星系如何移动并影响它们周围的空间。虽然广义相对论涵盖了我们宇宙中的大部分宏观事物，但它与量子力学所描述的物理学中的微观事物相矛盾。

在博士研究中，SjorsHeefer探索了我们宇宙中的引力，他的研究对令人兴奋的引力波领域产生了影响，甚至可能影响未来如何调和物理学中的大小关系。

一百多年前，阿尔伯特·爱因斯坦用他的广义相对论彻底改变了我们对引力的理解。

“根据爱因斯坦的理论，引力不是一种力，而是由于四维时空连续体(简称为时空)的几何形状而产生的，”希弗说。“它是我们宇宙中引力波等迷人现象出现的核心。”

巨大物体，例如太阳或星系，会扭曲其周围的时空，然后其他物体会沿着最直的路径(也称为测地线)穿过这个弯曲的时空。

然而，由于曲率的存在，这些测地线根本不是通常意义上的直线。例如，就太阳系中的行星而言，它们绕太阳运行的轨道是椭圆形的。通过这种方式，广义相对论优雅地解释了行星的运动以及许多其他引力现象，从日常情况到黑洞和大爆炸。因此，它仍然是现代物理学的基石。

理论的冲突

虽然广义相对论描述了大量天体物理现象，但它与另一个物理学基本理论——量子力学相冲突。

“量子力学认为，粒子(如电子或μ子)在被测量或观察之前会同时处于多种状态，”Heefer说。“一旦被测量，它们就会随机选择一种状态，这是由于一种被称为‘波函数坍缩’的神秘效应。”

在量子力学中，波函数是一种数学表达式，用于描述粒子(例如电子)的位置和状态。波函数的平方可以得出粒子可能位于何处的概率集合。特定位置的波函数平方越大，粒子被观察到后位于该位置的概率就越高。

“我们宇宙中的所有物质似乎都受量子力学奇特概率定律的支配，”希弗指出。“除引力外，所有自然力也都受此影响。这种差异导致了深刻的哲学和数学悖论，解决这些悖论是当今基础物理学面临的主要挑战之一。”

扩张是解决方案吗?

解决广义相对论和量子力学冲突的一种方法是扩展广义相对论背后的数学框架。

从数学角度来说，广义相对论基于伪黎曼几何，这是一种能够描述时空大多数典型形状的数学语言。

“然而，最近的发现表明，我们宇宙的时空可能超出了伪黎曼几何的范围，只能用芬斯勒几何这种更高级的数学语言来描述，”希弗说。

场方程

为了探索芬斯勒引力的可能性，希弗需要分析和求解某个场方程。

物理学家喜欢用场来描述自然界的一切。在物理学中，场就是在空间和时间的每个点上都有值的东西。

一个简单的例子就是温度;在任何给定的时间点，空间中的每个点都具有与之相关的特定温度。

一个稍微复杂一点的例子是电磁场。在任何给定的时间点，空间中某一点的电磁场值告诉我们带电粒子(如电子)位于该点时将受到的电磁力的方向和大小。

至于时空本身的几何形状，也可用一个场来描述，即引力场。时空中某一点的该场值告诉我们该点时空的曲率，而正是这种曲率体现为引力。

希弗求助于克里斯蒂安·普法伊弗和马蒂亚斯·NR·沃尔法斯的真空场方程，该方程控制着真空空间中的引力场。换句话说，这个方程描述了在没有物质的情况下时空几何形状的可能形状。

希弗解释道：“大致而言，这包括恒星和星系之间的所有星际空间，以及太阳和地球等物体周围的空旷空间。通过仔细分析场方程，我们已确定了几种新型时空几何。”

引力波确认

希弗研究中一个特别令人兴奋的发现涉及一类代表引力波的时空几何——时空结构中的涟漪以光速传播，可能由中子星或黑洞碰撞引起。

2015年9月14日首次直接探测到引力波，标志着天文学新时代的到来，科学家可以以全新的方式探索宇宙。

此后，人们进行了多次引力波观测。希弗的研究表明，这些观测都符合我们的时空具有芬斯勒性质的假设。

刮擦表面

尽管Heefer的结果很有希望，但它们仅仅触及了芬斯勒引力场方程含义的表面。

“该领域尚属新兴领域，该方向的进一步研究正在积极推进中，”Heefer说道。“我乐观地认为，我们的研究成果将有助于加深我们对引力的理解，我希望，最终，它们甚至可能为引力与量子力学的协调提供启示。”

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