廣義相對(duì)論留下的疑問：物質(zhì)到底是如何影響時(shí)空的？

沒有什么比這更讓人困惑的了：整個(gè)星系似乎都被某種東西控制著，這種東西影響著星系的行為，但沒有人知道這個(gè)“東西”是什么。如果它是物質(zhì)的一種形式，那么它一定是宇宙中最豐富的物質(zhì)，然而所有的嘗試都以失敗告終。甚至大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)也沒有看到它的身影。它仍然像它的名字一樣神秘：暗物質(zhì)。

現(xiàn)在，一位理論家用一個(gè)極其簡(jiǎn)單的解釋引發(fā)了爭(zhēng)議，解釋了為什么暗物質(zhì)仍然沒有被發(fā)現(xiàn)：它不存在。

但這并不是阿姆斯特丹大學(xué)教授Verlinde吸引如此多關(guān)注的唯一原因。畢竟，之前也有人提出暗物質(zhì)可能是某種幻覺。使弗林德與眾不同的是他對(duì)幻覺來源的解釋。他認(rèn)為這是對(duì)宇宙中最熟悉的力——引力——的基本誤解的結(jié)果。

這一論斷使Verlinde與科學(xué)界一些最偉大的科學(xué)家的工作產(chǎn)生了矛盾，包括阿爾伯特·愛因斯坦，他著名的引力理論是現(xiàn)代物理學(xué)的基石之。廣義相對(duì)論已經(jīng)取得了一系列的成功，包括2015年發(fā)現(xiàn)的引力波——兩個(gè)黑洞碰撞引起的時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪。

Verlinde花了數(shù)年時(shí)間從理論和觀察中拼湊線索，創(chuàng)造出我們稱之為引力的全新視角。現(xiàn)在他的想法正在接受測(cè)試，結(jié)果很有趣。

在媒體上，Verlinde被譽(yù)為愛因斯坦的智力繼承者，但是他認(rèn)為他的目標(biāo)更實(shí)際。他說：“我只是想解釋引力從何而來。”

在愛因斯坦證明引力是物質(zhì)扭曲空間和時(shí)間的結(jié)果一個(gè)世紀(jì)之后，這似乎是一個(gè)奇怪的說法。然而，根據(jù)Verlinde的說法，這忽略了一個(gè)事實(shí)，即廣義相對(duì)論仍然只是我們稱之為引力的一種描述。它留下了一個(gè)懸而未決的關(guān)鍵問題：物質(zhì)究竟如何影響空間和時(shí)間。

為了進(jìn)行他的研究，Verlinde不得不努力解決一些科學(xué)上最深?yuàn)W的問題，包括尋求所謂的“萬物理論”——一種將引力和量子力學(xué)結(jié)合起來的理論，幾十年來一直被認(rèn)為是物理學(xué)的圣杯。

理論家們?cè)缇椭溃瑥V義相對(duì)論不可能是引力的最后定論。這是因?yàn)樗鼪]有融合現(xiàn)代物理學(xué)的另一個(gè)基石——量子理論。除了以驚人的精確度描述亞原子世界之外，量子理論還能夠解釋除引力之外的所有基本自然力。自20世紀(jì)50年代以來，理論家們一直試圖將兩種自然觀結(jié)合起來，形成一種包羅萬象的理論。

Verlinde說，問題在于，他們基于對(duì)現(xiàn)實(shí)截然不同的觀點(diǎn)。例如，廣義相對(duì)論假定精確地確定粒子的位置和運(yùn)動(dòng)方式是可能的，而量子理論則表明這是不可能的。Verlinde解釋說：“所以把重力考慮進(jìn)去會(huì)給我們帶來一些問題。”

多年來，他致力于研究超弦理論，許多人認(rèn)為這是克服這些問題最有希望的方法。然而，盡管經(jīng)過了幾十年的努力和大量令人難以置信的想法，仍然沒有確鑿的證據(jù)表明它是有效的。

這使得Verlinde走上了一條尋找引力真相的不同道路。這一真理的起源在于引力與科學(xué)中一個(gè)明顯不相干的部分之間的一系列令人驚訝的聯(lián)系：熱力學(xué)，即熱的物理。

在20世紀(jì)70年代早期，研究黑洞的理論家們——以其引力強(qiáng)度而“臭名昭著”——發(fā)現(xiàn)它們也一定充滿了一種叫做熵的東西。熵被廣泛用于理解熱物體的行為，它反映了在不改變物體外觀的情況下重新排列物體成分的方法。計(jì)算表明，黑洞包含的熵可能是最大的，可以塞進(jìn)一個(gè)給定的空間體積。

但他們也揭示了一些其他的東西。常識(shí)表明，由于黑洞的熵取決于物體的成分，所以它的熵應(yīng)該取決于它的體積。然而，理論學(xué)家發(fā)現(xiàn)它只取決于黑洞的表面積。更奇怪的是，這些計(jì)算表明，黑洞的表面是由所謂普朗克區(qū)域的巨大碎片組成的。普朗克區(qū)域是以德國(guó)量子理論先驅(qū)的名字命名的，甚至比亞原子粒子還要小得多，而且似乎是時(shí)空本身的組成部分。

考慮到熱物理和時(shí)空之間令人費(fèi)解的聯(lián)系，佛林德開始懷疑這是否暗示著一種全新的思考重力的方式。熱曾經(jīng)被認(rèn)為是存在于物質(zhì)內(nèi)部和自身的基本屬性，比如電荷，但現(xiàn)在我們知道，它最終是由組成氣體、液體或固體的數(shù)百萬個(gè)原子和分子碰撞而成。構(gòu)成物質(zhì)的原子和分子運(yùn)動(dòng)得越快，它們擁有的能量就越多，物質(zhì)的溫度就越高。因此，熱實(shí)際上是一種“涌現(xiàn)”的性質(zhì)。

那么，被認(rèn)為是基本的引力也可能是突現(xiàn)的嗎？它的真正起源與熵和那些極其微小的普朗克時(shí)空區(qū)域有關(guān)?

2010年，Verlinde發(fā)表了一篇論文，展示了如何利用他的理論精確地推導(dǎo)出牛頓和愛因斯坦的萬有引力定律，這在理論家中引起了轟動(dòng)。“與其他已知的涌現(xiàn)現(xiàn)象的相似之處，大多被認(rèn)為只是具有啟發(fā)性的類比，”Verlinde宣稱。“是時(shí)候了，我們不僅要注意到這種類比，談?wù)撨@種相似性，而且最終要廢除重力作為一種基本的力。”

盡管這一發(fā)現(xiàn)很有趣，但許多理論家仍然不相信這只是物理學(xué)上的一個(gè)怪癖。Verlinde需要的不僅僅是復(fù)制現(xiàn)有的理論，而是預(yù)測(cè)一些新的、可測(cè)試的東西。現(xiàn)在他相信他已經(jīng)找到了暗物質(zhì)之謎。

雖然在80多年前對(duì)星系團(tuán)的研究中發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的跡象，但這是星系內(nèi)部一種奇特效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，首次說服天文學(xué)家認(rèn)真對(duì)待暗物質(zhì)。

根據(jù)牛頓的萬有引力定律，離星系中心較遠(yuǎn)的恒星的軌道運(yùn)行速度應(yīng)該比離星系中心較近的恒星慢。但在20世紀(jì)70年代，對(duì)螺旋星系內(nèi)恒星的研究表明，在離中心一定距離之外，這種效應(yīng)就會(huì)消失。最明顯的解釋是，恒星受到星系周圍無形物質(zhì)云引力的影響。很快人們就明白了，無論這是什么東西，都不可能由物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件構(gòu)成。這引發(fā)了一場(chǎng)全球性的努力，尋找一種可行的替代方案，這種努力一直持續(xù)到今天，但沒有取得任何成功。

這導(dǎo)致越來越多的人懷疑，最明顯的解釋是錯(cuò)誤的。1983年,以色列魏茲曼科學(xué)研究所的物理學(xué)家米爾格教授,指出一個(gè)奇怪的事實(shí)銀河系暗物質(zhì)的證據(jù):也可以解釋如果牛頓定律無法準(zhǔn)確解釋外的星系中恒星的運(yùn)動(dòng)感覺重力加速的速度小于某一臨界值:約100——billionth生成的地球。

有趣的是，米爾格羅姆所謂的修正牛頓動(dòng)力學(xué)只是用另一個(gè)謎團(tuán)取代了一個(gè)謎團(tuán)：這種“臨界加速度”從何而來?這就是Verlinde決定利用他的涌現(xiàn)引力理論來發(fā)現(xiàn)的。他說:“我很快就找到了一種粗略的計(jì)算方法，或許可以解釋這個(gè)問題，但我必須花好幾年的時(shí)間，才能讓它更精確。”現(xiàn)在他相信自己成功了。

關(guān)鍵在于整個(gè)宇宙對(duì)引力存在所必需的關(guān)鍵因素的影響:熵。根據(jù)牛頓和愛因斯坦的理論，像黑洞這樣的物體的熵隨其面積的增加而增加。但Verlinde指出，由于暗能量的存在，整個(gè)宇宙的尺度都在發(fā)生變化。暗能量在20世紀(jì)90年代首次被發(fā)現(xiàn)，是一種反引力，推動(dòng)著宇宙的膨脹。它的起源仍然是個(gè)謎，但是Verlinde的計(jì)算表明暗能量導(dǎo)致熵隨著體積而增加，而不僅僅是面積。這在宇宙尺度上改變了引力的行為——而且，Verlinde說，結(jié)果是加速效應(yīng)產(chǎn)生了暗物質(zhì)存在的錯(cuò)覺。

他說:“在一個(gè)膨脹的宇宙中，引力定律必須按照牛頓動(dòng)力學(xué)所指示的加速度范圍進(jìn)行調(diào)整。”然而，與蒙德不同的是，他能夠利用基礎(chǔ)物理計(jì)算出這種效應(yīng)。

Verlinde的理論不僅解釋了為什么暗物質(zhì)從未被發(fā)現(xiàn)。長(zhǎng)期以來，天文學(xué)家一直對(duì)螺旋星系的亮度與其自轉(zhuǎn)速度之間的“定律”感到困惑。被稱為圖利-費(fèi)雪關(guān)系，使用傳統(tǒng)的引力理論是沒有意義的，但是Verlinde已經(jīng)證明這是引力和熵之間聯(lián)系的自然結(jié)果。

支持Verlinde理論的進(jìn)一步證據(jù)來自于最近對(duì)來自遙遠(yuǎn)星系的光的研究。根據(jù)愛因斯坦的理論，星系的重力場(chǎng)可以彎曲光線的路徑。這就是所謂的“引力透鏡”效應(yīng)。一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種效應(yīng)與弗林德理論的預(yù)測(cè)一致，不需要暗物質(zhì)。

現(xiàn)在正在尋找證據(jù)，證明Verlinde的理論不僅解釋了牛頓動(dòng)力學(xué)知識(shí)，而且表現(xiàn)得更好。這里出現(xiàn)了一些問題。天文學(xué)家弗雷德里科·萊利博士和他在歐洲南方天文臺(tái)的同事們一直在研究星系中恒星的軌道，但它們的行為并不像預(yù)期的那樣。

“Verlinde的理論預(yù)測(cè)內(nèi)部區(qū)域的引力比牛頓動(dòng)力學(xué)只是更強(qiáng)，”Lelli解釋道。但這種影響似乎并不存在:“這似乎是一個(gè)嚴(yán)重的問題，”他說。

然而，Verlinde面臨的最大問題是解釋宇宙的“巧合”。為什么解釋星系旋轉(zhuǎn)曲線所需的暗物質(zhì)數(shù)量與解釋早期宇宙觀測(cè)所需的暗物質(zhì)數(shù)量一致?普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)家內(nèi)塔·巴call教授說:“來自各種方法的暗物質(zhì)觀測(cè)證據(jù)都驚人地一致。”

最簡(jiǎn)單的解釋是暗物質(zhì)確實(shí)存在，只是還沒有被發(fā)現(xiàn)。但是Verlinde指出他對(duì)引力本質(zhì)的研究還遠(yuǎn)未完成。他說:“要解釋這些影響，我們必須發(fā)展理論，使之能夠描述宇宙的宇宙學(xué)演化。”“我目前正在研究這些想法，但需要一些時(shí)間。”

考慮到如果他是對(duì)的，將會(huì)有巨大的回報(bào)，許多科學(xué)家愿意放佛林德一馬，我們正處在一個(gè)需要探索許多新思想的時(shí)期，這類事情需要很長(zhǎng)時(shí)間才能解決。