Celia Escamilla-Rivera 领导墨西哥国立自治大学引力和场论系。
Meghan Dhaliwal 为 Quanta 杂志
在 1919 年的日食期间，亚瑟·爱丁顿观察到光线围绕太阳弯曲，正如广义相对论所预测的那样，阿尔伯特·爱因斯坦的新引力理论。从那时起，广义相对论，它说像恒星这样的大质量物体会扭曲它们周围的时空结构，已经通过了越来越精确的测试。一年很少没有新的实验或观察证实爱因斯坦的理论。但是有一个问题。
被称为暗物质和暗能量的不可见物质似乎构成了宇宙成分的约 95%。工作假设是暗物质由不发光的基本粒子组成，而暗能量是空间本身的能量。但也有可能它们是幻觉，因为引力的作用与爱因斯坦的想法不同。 “我们正在援引这些神秘的东西，”宇宙学家西莉亚·埃斯卡米拉-里维拉说，“我坚信需要替代的引力理论。”
Escamilla-Rivera 正在寻找另一种更完整的理论。随着时间的推移，人们提出了一系列令人眼花缭乱的广义相对论替代方案，从“平行引力”到“复杂精髓”和“负质量宇宙学”，但它们长期以来似乎只是理论上的幻想。由于宇宙学家无法创建能够将这些理论与广义相对论区分开来的实验，这些想法已经尘埃落定。
根据 Escamilla-Rivera 的说法，在这个精确宇宙学的新时代，这种情况开始发生变化，这是她在自己的祖国墨西哥开创的一个领域。精密宇宙学将大量多样的数据集与新的统计方法、机器学习和超级计算机相结合。 “多亏了这些数据，你可以打开一扇门，对所有这些理论进行分类，并说出哪些有效，哪些无效，”她说。
Escamilla-Rivera 在墨西哥国立自治大学科学博物馆 Universum 观看天文图像。
通过搜寻早期宇宙和黑洞的极端环境，埃斯卡米拉-里维拉认为我们可以找到广义相对论的裂缝，这将为其他东西让路。这不是宇宙学家的传统智慧，但埃斯卡米拉-里维拉成为宇宙学家的道路也不是传统的。
埃斯卡米拉-里维拉在墨西哥南部小岛上的卡门城长大。她记得她 4 岁时在满月的夜晚沿着海滩散步，想知道：为什么月亮是圆的？为什么它只在晚上出来？ “我认为我需要成为一名宇航员，”她说。
多年后，看着她的一位大学教授直接根据爱因斯坦的方程计算宇宙的年龄，她将注意力转向了宇宙学。 “人们会说：‘你为什么想成为一名宇宙学家？这些是美国人的职业，”她说。 “这被认为很奇怪。”
Escamilla-Rivera 在欧洲和英国完成了博士学位；然后，在 29 岁时，她被邀请回到墨西哥，管理中美洲理论物理中心的理论物理系。几年后，她成为第一位在墨西哥国立自治大学 (UNAM) 引力和场论系担任研究职位的女性——担任系主任。
我们在 Zoom 上谈了四个小时。埃斯卡米拉-里维拉在墨西哥城 UNAM 的办公室里散发出自信和热情，不仅对精确宇宙学推翻爱因斯坦的潜力，而且对墨西哥宇宙学家的新前景也充满信心。为清晰起见，采访经过浓缩和编辑。
广义相对论和由此产生的宇宙学标准模型运行良好。为什么你认为我们需要修改或扩展重力？
问题是广义相对论不够普遍。如果你想解释暗能量，这种似乎在加速宇宙膨胀的无形能量，你需要在方程中加入一个额外的成分，称为宇宙常数。这个额外的成分在广义相对论中并不自然存在。您需要手动添加它。
有没有一种理论可以自然地给你暗能量而不调用神秘的东西？这就是为什么我正在研究这些扩展或修改的引力理论。
除了暗能量，这些理论还能解决什么其他难题？
广义相对论解释了很多关于自然的事情，但它没有解释大爆炸发生了什么，或者黑洞内部发生了什么。黑洞的奇点在数学上与大爆炸奇点非常相似——它是所有已知物理定律都被打破的地方。一个大问题是，如果我们修改或扩展广义相对论，也许我们可以解释这个打破一切的奇异点。
广义相对论也不能解释宇宙的未来。有一些有趣的理论说宇宙将再次坍缩成另一个大爆炸，称为大紧缩宇宙。但我们不知道，因为广义相对论是不完整的。如果我们找到一个完整的理论，我们就能得到这类问题的答案。
人们普遍认为，需要一个基本的量子引力理论来描述黑洞内部和大爆炸。然而，通常的假设是，量子引力在整个宇宙的其他部分看起来就像广义相对论。但是你认为不同的理论在任何地方都会更有效。你能举例说明修正理论与广义相对论有何不同吗？
有标量张量理论。这些比广义相对论更普遍。为什么？好吧，广义相对论使用称为张量的数学对象来描述时空。在标量张量理论中，也有称为标量的对象。标量可以是物理的东西，如质量或能量，它贯穿时空。
所以它的行为有点像广义相对论中的宇宙常数？
确切地。除了在这个标量张量理论中你不添加任何东西之外，它来自数学。
这不是唯一的选择。在 1980 年代，这些修正重力理论出现了爆炸式增长。从数学上讲，这些理论非常丰富，没有什么能阻止你，但是手头有这么多理论，我们受限于实验来区分它们。
这就是你进入精密宇宙学的原因吗？
当我在 2014 年获得博士学位时，那一年是欧洲精密宇宙学的爆炸式增长。十年前，标准流程是拿望远镜观察；然后用这些数据测试你的理论。现在发生的事情是，我们有许多望远镜从宇宙的不同部分收集不同类型的数据。通过机器学习、神经网络和超级计算机，我们可以一起处理所有这些数据。这使得对理论的检验更加丰富。
Escamilla-Rivera 是 Universum 的火箭模型之一。
Meghan Dhaliwal 为 Quanta 杂志
我是第一个发表论文的人，该论文使用机器学习来研究宇宙模型中的暗能量。机器学习架构现在甚至可以查看大型宇宙学数据集并推导出引力理论。这是一个新时代。
测试这些替代理论的另一种新方法是在超级计算机上进行模拟。你可以控制自己的宇宙，并预测哪种理论会起作用。
是什么让你在欧洲学习后回到墨西哥？
我正在英国诺丁汉完成博士后研究，接到一个电话说：“我们正在墨西哥开设一个研究所，将由阿卜杜斯萨拉姆国际理论物理中心资助，我们需要在欧洲学习的墨西哥人来回墨西哥。”回到我的国家并追求同样的科学问题是一个显而易见的选择。
当时，墨西哥没有人可以使用统计数据进行精确的宇宙学。因此，当我到达时，我的几位同事感到新鲜空气。我正在教他们我在其他国家学到的所有东西。
然后四年前，我接到了 UNAM 的电话。这非常令人兴奋，因为我知道我可以在我的国家组建一个新的研究小组。
您在建立这个研究小组时遇到了哪些挑战？
部分大学社区认为宇宙学家只需要纸和铅笔。不仅如此。你需要超级计算机，你需要参加会议、建立关系和协作的机会。这一切都需要大量的资金支持。
去年，我说服了我的大学，这就是未来，我们需要做精确的宇宙学。之后我还得到了皇家天文学会的支持。我们的精密宇宙学小组现在非常强大；我们有20个人。我们可以要求墨西哥研究人员回到他们的祖国并提供一份长期工作。我们还有来自世界各地的同事和学生。这是激动人心的时刻。
你预计观察什么时候会开始与广义相对论不一致？
我们接近这一点。我确信最近发射的詹姆斯韦伯太空望远镜将为更接近宇宙起源的观测打开一扇新的大门。我们将看到一个氢和氦融合形成宇宙中第一个星系的时代。我怀疑广义相对论在那个时候是行不通的，因为能量太高了。所以那个时代可以给你一个非常真实的检验，究竟哪种引力理论是正确的。
“一个需要数年时间的微积分可能需要这台计算机 30 秒，”Escamilla-Rivera 谈到 UNAM 的计算机集群时说，她走进了旋转、闪烁的空间。
Meghan Dhaliwal 为 Quanta 杂志
你会把钱放在哪种替代理论上？
我会把钱放在遥平行重力上。
这与广义相对论有何不同？
在广义相对论中，一个重要的概念是时空曲率，它告诉你物质的分布。你可以把太阳看作是放在一张纸上的一个大质量，然后这张纸开始弯曲。爱因斯坦将物质和几何之间的这种关系作为宇宙的基础。现在在远程平行引力下，太阳正在形成类似龙卷风的东西。因此，纸张不是弯曲的，而是扭曲的。这称为扭转。
平行引力实际上是爱因斯坦在他生命的最后一部分的最后计算之一。有些人正在使用扭转来编写新的数学。当爱因斯坦看到这一点时，他看到了一种将他的理论广义相对论与另一个非常重要的力量电磁学联系起来的方法。他说，好吧，也许我们可以统一所有的力量。不幸的是，他没有成功，他的想法开始被遗忘。
但一些理论家继续研究它。就在几年前，马耳他大学的杰克逊·列维·赛义德（Jackson Levi Said）发现可以将远平行引力的语言转化为宇宙学——一组方程式，将我们在自然界中观察到的所有参数联系起来，比如密度事情。我们可以将这个宇宙模型与实验联系起来。我说，“好吧，我会用当前的数据来检查它，例如，宇宙微波背景辐射，”这是来自早期宇宙的光。我们发现这些方程可以匹配这些数据，而无需调用暗物质或暗能量。
2021 年拍摄的 M87 星系中心黑洞周围的偏振光条纹揭示了强磁场在起作用。
其中一张照片显示了黑洞周围的磁场。所有的场线都遵循相同的流程；它非常优雅。通过这些磁力线，你可以间接了解黑洞内部发生了什么。黑洞会吸收附近的物质，所以视界内有物质，视界外有物质，相互作用产生磁场。这些磁场是最难理解的部分。
Event Horizon Telescope Collaboration 中的一个小组正在寻找广义相对论的解决方案。但我所属的另一个小组正在采取另一条修改和扩展重力的路线。
问题是，要区分这些可能性，我们需要更多数据。现在的想法是拍一部黑洞的电影来看看它的演变。也许它会给我们更好地限制我们想要测试的理论。
当你还是个孩子的时候，你有没有想过你最终会挑战爱因斯坦？
挑战爱因斯坦？大概！我想这是任何想要了解宇宙的孩子的梦想。