【博科園-科學(xué)科普】（本文超長(zhǎng)超深度~未有理科生應(yīng)的定力~請(qǐng)慎入閱讀）如我們所知宇宙是有一個(gè)根本的缺陷，讓我們知道人類的知識(shí)并是不完整的。四個(gè)基本力由兩個(gè)不同和相互不相容的框架描述：引力的廣義相對(duì)論和電磁和核力的量子場(chǎng)理論。（注：文中有不少術(shù)語(yǔ)，請(qǐng)自行查閱相關(guān)資料）
【博科園-科學(xué)科普】（本文超長(zhǎng)超深度~未有理科生應(yīng)的定力~請(qǐng)慎入閱讀）如我們所知宇宙是有一個(gè)根本的缺陷，讓我們知道人類的知識(shí)并是不完整的。四個(gè)基本力由兩個(gè)不同和相互不相容的框架描述：引力的廣義相對(duì)論和電磁和核力的量子場(chǎng)理論。（注：文中有不少術(shù)語(yǔ)，請(qǐng)自行查閱相關(guān)資料）
在德西特空間中兩個(gè)可能的糾纏模式，代表糾纏的量子信息，可能使空間、時(shí)間和引力的產(chǎn)生。圖片：Erik Verlinde
愛(ài)因斯坦的理論本身就是正確的，描述了物質(zhì)與能量與時(shí)空曲率的關(guān)系。量子場(chǎng)理論本身也很好，描述了粒子如何相互作用和體驗(yàn)力量。但是在引力場(chǎng)最強(qiáng)地方，也在最小的尺度上時(shí)我們無(wú)法描述自然，我們最偉大的理論物理學(xué)被打破了。
四種自然基本力(或相互作用)攜帶粒子以及受它們影響的現(xiàn)象或粒子?？刂莆⒂^世界的三種相互作用都比重力強(qiáng)得多，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型得到了統(tǒng)一。圖片版權(quán)：Typoform/Nobel Media
在傳統(tǒng)情況下量子場(chǎng)理論的計(jì)算是在平坦空間里進(jìn)行的，而時(shí)空不是彎曲的。我們可以在愛(ài)因斯坦的引力理論所描述的彎曲空間里進(jìn)行（盡管計(jì)算要困難得多）。這種半經(jīng)典的方法讓我們走得更遠(yuǎn)，但它并沒(méi)有無(wú)處不在。特別是在一些強(qiáng)領(lǐng)域的情況下也無(wú)法用現(xiàn)有的理論得出合理的答案：
1、當(dāng)一個(gè)電子穿過(guò)雙狹縫時(shí)會(huì)發(fā)生什么？
2、如果黑洞的最終狀態(tài)是熱輻射，那么形成黑洞的粒子的信息會(huì)發(fā)生什么變化呢？
3、一個(gè)奇異點(diǎn)周圍的引力場(chǎng)/力的行為是什么？
如沒(méi)有量子引力理論，這些問(wèn)題都沒(méi)有答案。
在黑洞視界之外，廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論完全足以理解所發(fā)生的物理現(xiàn)象。但在奇點(diǎn)附近，需要引力量子理論。圖片版權(quán)：NASA
我們通常所做的假設(shè)是有量子引力理論，而我們還沒(méi)有找到。也許是弦理論，也許這是一種替代方法，如循環(huán)量子引力，因果性動(dòng)力學(xué)三角剖分或漸進(jìn)安全的量子引力。但是自2009年以來(lái)一種新的令人興奮并具有假設(shè)性的挑戰(zhàn)性做法已經(jīng)風(fēng)靡：引力本身不是一個(gè)真正的根本力，而是一個(gè)虛幻的，突發(fā)性力。由埃里克·弗林德德（Erik Verlinde）率先提出，想法是：引力從宇宙中更根本的現(xiàn)象出現(xiàn)，這種現(xiàn)象是熵。
如果引力不是基本的，而是來(lái)自于基本量子信息的性質(zhì)，也許這種看待宇宙的新方法將會(huì)回答一些最基本的謎題。圖片版權(quán)：flickr gallery of J. Gabas Esteban
聲波從分子間的相互作用中產(chǎn)生：原子由夸克、膠子和電子組成，以及電磁和強(qiáng)弱相互作用，行星系統(tǒng)從廣義相對(duì)論的引力中出現(xiàn)。但在熵的概念中以及其他一些場(chǎng)景(如qbits)——萬(wàn)有引力，甚至是空間和時(shí)間，也可能以類似的方式從其他實(shí)體中出現(xiàn)。在控制熱力學(xué)的方程式和支配引力的方程式之間，有一些眾所周知的、密切的關(guān)系。眾所周知熱力學(xué)定律從更基本的統(tǒng)計(jì)力學(xué)領(lǐng)域中浮現(xiàn)出來(lái)，這也就是熵的概念，但有什么比引力更重要的東西嗎？
如果引力本身不是一種基本的力，而是一種突發(fā)性的力量，那么空間和時(shí)間的許多秘密可能會(huì)有不同于我們目前所尋求的解決方法。圖片版權(quán)：Zoltán V?r?s of flickr
Verlinde一直是這個(gè)理論的主要支持者，有一些有趣的進(jìn)步途徑。Verlinde的方法是從一個(gè)黑洞的熵和霍金溫度開(kāi)始，然后利用弦理論的思想，展示量子信息理論與引力、空間和時(shí)間的出現(xiàn)之間的關(guān)系。但也有一些大的開(kāi)放式問(wèn)題沒(méi)有令人滿意的答案。基于他最近發(fā)表的論文，這里有三個(gè)思想：
1、他的模型允許引力質(zhì)量出現(xiàn)，但沒(méi)有提到慣性質(zhì)量，或者為什么這兩者是一樣的(這就是愛(ài)因斯坦的等效原理)。
2、盡管宇宙的膨脹率在其歷史上發(fā)生了巨大的變化，但Verlinde所做的許多復(fù)雜的假設(shè)都只會(huì)讓我們的宇宙獲得更多的數(shù)據(jù)，如果將哈勃膨脹率應(yīng)用于今天的話。
3、這個(gè)模型假定暗能量一直是宇宙中能量的主要形式，為了使這個(gè)框架有效，但事實(shí)是數(shù)十億年，暗能量是可以忽略的。
但是基本的思想是基本量子比特(或qbits)擁有溫度和信息，而且所有關(guān)于引力的東西，包括空間和時(shí)間，都可以從這個(gè)推導(dǎo)出來(lái)，太大而不能忽視。（2017年10月4日）多虧了周邊研究所，Verlinde獲得了與世界分享這個(gè)理論的機(jī)會(huì)。
Erik Verlinde的演講于10月4日東部時(shí)間晚上7點(diǎn)發(fā)表，他展示他對(duì)萬(wàn)有引力的新觀點(diǎn)，以及它對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的影響。圖片版權(quán)：Perimeter Institute
人們常說(shuō)答案總是你最不喜歡的，也許如果你的想法是正確的，我們就會(huì)在這里找到它。對(duì)于那些好奇引力的人，他提出了解釋最神秘引力的可能性，這是一個(gè)簡(jiǎn)單而明確的概念。如果我們的宇宙真的是由比標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子更基本的東西構(gòu)成的，這可能是引領(lǐng)我們走向下一個(gè)前沿的關(guān)鍵突破！
這也可能是完全錯(cuò)誤的。事實(shí)上很多人，尤其是暗物質(zhì)的支持者(比如我)對(duì)Verlinde的想法非常懷疑。一個(gè)充滿可能性的新想法，即使它證明是錯(cuò)誤的，而不是我們的物理世界的描述性，也可以是一種引人入勝的調(diào)查。新的數(shù)學(xué)，新的創(chuàng)新以及新的視角往往會(huì)帶來(lái)一種新的視角來(lái)看待宇宙，即使我們最初的研究方法是徒勞的。除非你不看，否則你永遠(yuǎn)不知道你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么。這可能是一個(gè)純粹的死胡同，但我們不知道，需要我們沿著那條路走下去！
四個(gè)相互碰撞的星系團(tuán)，顯示x射線(粉紅色)和萬(wàn)有引力(藍(lán)色)之間的分離，表示暗物質(zhì)。圖片版權(quán)：x射線:NASA科學(xué)家/ UVic. /。Mahdavi et al .光學(xué)/透鏡:CFHT / uvici / A。Mahdavi等人(左上角);x射線:NASA科學(xué)家/ UCDavis / W。道森et al。光學(xué):NASA /太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所/ UCDavis / W。道森等人(右上);ESA / xmm -牛頓/ F。加斯特羅(INAF / IASF，米蘭，意大利)/ CFHTLS(左下);x射線:NASA、ESA、CXC、m . Bradac(加州大學(xué)圣巴巴拉分校)和s . Allen(斯坦福大學(xué))(右下)
在Verlinde的理論中，最具爭(zhēng)議的一個(gè)方面是它試圖解釋暗物質(zhì)和暗能量，從各種天體物理學(xué)觀察這似乎是絕對(duì)必要的。Verlinde的理論最終會(huì)為這些觀測(cè)提供解釋嗎？我們可以希望，但他的理論還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)。
一種陰極射線管的示意圖。圖片版權(quán)：Theresa Knott / Wikimedia Commons
Verlinde說(shuō)粒子加速器是20世紀(jì)物理學(xué)的關(guān)鍵，他指出電視甚至是一個(gè)粒子加速器。這對(duì)于老式的陰極射線管電視來(lái)說(shuō)是正確的，它加速了屏幕上的電子，造成了光子的發(fā)射，從而產(chǎn)生了圖像。但我們現(xiàn)在使用LED技術(shù)；我們已經(jīng)超越了CRTs和粒子加速器。有可能需要去了解信息的量子比特(qbits)，而不是我們理解的單個(gè)粒子來(lái)理解引力。
Verlinde對(duì)宇宙的推測(cè)。圖片版權(quán)：Perimeter Institute
可以用新的視角來(lái)代替粒子或其他基本點(diǎn)能得到新的答案嗎？然而這是危險(xiǎn)的地方，因?yàn)樗缭搅藢?shí)際物理的邊界。根根據(jù)現(xiàn)實(shí)純粹的猜測(cè)，在那里沒(méi)有觀察到的現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)，可以表演來(lái)區(qū)分它們，Verlinde很想知道這條線索在哪里。
宏觀的量，如溫度和壓強(qiáng)是由一組更基本的量組成的：例如構(gòu)成氣體的單個(gè)粒子。當(dāng)它們移動(dòng)、相互作用和碰撞時(shí)就產(chǎn)生了這些宏觀性質(zhì)。例如熵是系統(tǒng)微觀屬性的一個(gè)可導(dǎo)量。但是所設(shè)想的基本粒子，重力，甚至空間和時(shí)間是否有可能是由別的東西構(gòu)成的呢？甚至熵在一個(gè)基本層面上？思想雖開(kāi)放，但也要持懷疑態(tài)度。
（2017）10月4日在圓周研究所的視頻截圖，圖片：Perimeter Institute
至少我們從Verlinde開(kāi)始，定義了熵：系統(tǒng)中信息的總比特?cái)?shù)。事實(shí)上這需要被提升到qbits(量子比特)來(lái)解釋我們的量子宇宙，但這沒(méi)關(guān)系。
它以每秒7.9公里的速度實(shí)現(xiàn)“C”(穩(wěn)定的環(huán)繞軌道)，而“E”則以11.2千米/秒的速度逃離地球的引力力。圖片：Brian Brondel under a c.c.a.-s.a.-3.0 license
在牛頓的概念里中引力繞著地球轉(zhuǎn)“下落”其實(shí)都是一樣的。這就是牛頓力學(xué)定律的地方，也是人類歷史上偉大的理論進(jìn)步之一。200多年來(lái)是廣義相對(duì)論證明時(shí)間的兩倍多，牛頓引力就是宇宙中毫無(wú)疑問(wèn)的冠軍，不要低估它的影響和重要性！
宇宙的結(jié)構(gòu)時(shí)空，是一個(gè)很難理解的概念。但是多虧了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，我們才能理解它。圖片版權(quán)：Pixabay user JohnsonMartin
Verlinde概述了“暗物質(zhì)”的區(qū)別。一種新的不可見(jiàn)的質(zhì)量來(lái)源)和“修正引力力”，即一種新的引力理論。愛(ài)因斯坦取代了牛頓，時(shí)空曲率決定物質(zhì)和能量的運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)和能量決定了時(shí)空曲率。這個(gè)類比很明顯：Verlinde想要改變我們對(duì)引力的看法，而不是添加暗物質(zhì)，然這是一個(gè)艱巨的任務(wù)而不一定成功。
三角星系M33的擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)曲線。隨著對(duì)模擬的恒星形成反饋的增加以及對(duì)正常到暗物質(zhì)的比例的計(jì)算，暗物質(zhì)最終能解釋這些觀察到的旋轉(zhuǎn)曲線嗎？圖片版權(quán)：Wikimedia Commons user Stefania.deluca
是什么改變了引力？
1、大規(guī)模結(jié)構(gòu)的形成
2、宇宙微波背景下的波動(dòng)
3、星系群內(nèi)單個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)
4、引力透鏡的數(shù)量和形狀
5、合并星系團(tuán)的引力作用
6、sachs - wolfe和整合sachs - wolfe效應(yīng)
7、暗物質(zhì)與正常物質(zhì)從單個(gè)恒星的運(yùn)動(dòng)中推斷出的)在不同尺度/大小的星系中所占比例的變化
我們有很多關(guān)于暗物質(zhì)的證據(jù)，而唯一可以改變引力的地方是在單個(gè)星系的尺度上。
圖片：Perimeter Institute
Verlinde討論的是彈性，所有粒子相互作用的衍生(涌現(xiàn))性質(zhì)。Verlinde的論點(diǎn)就像愚蠢的粒子流動(dòng)一樣，也許是引力或者暗物質(zhì)，是一個(gè)更基本的基礎(chǔ)理論的衍生和涌現(xiàn)性。是的，愛(ài)因斯坦是對(duì)的，但也許其他的東西更正確，也就是說(shuō)，從根本上從愛(ài)因斯坦的方程可以推導(dǎo)出來(lái)。
不要拋棄暗物質(zhì)，只是因?yàn)槲覀冞€沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室里成功地直接檢測(cè)到它，這并不是證明暗物質(zhì)不存在的證據(jù)！這意味著我們能夠建造的探測(cè)器和也能夠探測(cè)到的，主要是尋找wimp型暗物質(zhì)的探測(cè)器都沒(méi)有成功。但缺乏證據(jù)并不是沒(méi)有證據(jù)，否則就是純粹的猜測(cè)。
圖片：Perimeter Institute
是的，引力透鏡顯示了暗物質(zhì)的需要。這只是一個(gè)質(zhì)量問(wèn)題，而lensing(既強(qiáng)又弱的透鏡)是對(duì)暗物質(zhì)的有力的間接驗(yàn)證。同樣沒(méi)有任何修正的引力理論，包括Verlinde的可以解釋所有這些大規(guī)模的觀測(cè)。
你看到這個(gè)漂亮的圖形了嗎？是的，從我們的角度來(lái)看這是一個(gè)令人難以置信的例子。早期的星系，黑暗時(shí)代宇宙微波背景都是可見(jiàn)的。
來(lái)自三個(gè)獨(dú)立來(lái)源的暗能量信息，即使沒(méi)有超新星，我們也需要暗能量。圖片：超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目， Amanullah, et al., Ap.J. (2010)
但再一次要看宇宙中95%的能量并不知道它是什么，換句話說(shuō)暗物質(zhì)和暗能量，并不意味著我們的宇宙圖像有任何問(wèn)題。有不接受相對(duì)論的人，不接受量子力學(xué)，不要接受引力場(chǎng)理論或黑洞的存在等等，為什么你的直覺(jué)或者在有限的經(jīng)驗(yàn)背景下對(duì)你頭腦有什么意義，成為現(xiàn)實(shí)的鏡子？這是相當(dāng)傲慢的，不僅需要保護(hù)我們自己，而不是擁抱說(shuō)服自己我們的直覺(jué)是正確的。
霍金輻射是量子物理學(xué)在黑洞視界周圍彎曲時(shí)空中預(yù)測(cè)的必然結(jié)果。這張圖顯示的是在視界外產(chǎn)生輻射的能量，也就是說(shuō)黑洞必須失去質(zhì)量來(lái)補(bǔ)償。圖片：E. Siege
貝肯斯坦-霍金輻射以近乎正確的方式被提出，他說(shuō)的是量子力學(xué)太天真了。它不是粒子反粒子對(duì)，其中一個(gè)出來(lái)，主要是光子和黑體輻射，而不是粒子或反粒子。它也需要量子場(chǎng)理論來(lái)描述，甚至我上面所做的改進(jìn)的插圖也沒(méi)有完全描述它。但正確的是黑洞的面積(與其質(zhì)量有關(guān))與它的熵成正比。
Verlinde說(shuō)：這是愛(ài)因斯坦理論的第一個(gè)裂縫，但不認(rèn)為這是正確的。熵是可以在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的，但它并不意味著愛(ài)因斯坦的理論有任何問(wèn)題。事實(shí)上從Verlinde的爭(zhēng)論中認(rèn)為暗物質(zhì)是理論的第一個(gè)裂縫。在這個(gè)問(wèn)題上我不同意，但至少我知道他是從哪里來(lái)的。
圖片：Perimeter Institute
如果你用電腦里的qbits替換比特，就不會(huì)有0和1，因此在這兩者之間的一切會(huì)有疊加。事實(shí)上可以將許多量子點(diǎn)相互糾纏，這就是為什么量子計(jì)算機(jī)為傳統(tǒng)的“經(jīng)典”計(jì)算機(jī)提供了更強(qiáng)大的可能性。
似乎暗示了糾纏的量子粒子或量子信息是產(chǎn)生暗物質(zhì)的原因。隨著宇宙的膨脹，糾纏的數(shù)量隨著時(shí)間的推移而增加。那么這對(duì)暗物質(zhì)密度(或者說(shuō)它如何顯現(xiàn))的時(shí)間有何影響呢？目前沒(méi)有答案，但我知道Verlinde的理論已經(jīng)改變了……但至少現(xiàn)在我們終于得到了糾纏和暗物質(zhì)之間的聯(lián)系。
Verlinde問(wèn)了一個(gè)大問(wèn)題：量子糾纏/引力是否解釋了牛頓定律在星系旋轉(zhuǎn)中的偏離？這是對(duì)重力變化最簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但到目前為止的答案是“只有一瞬間”，如果我們看更遠(yuǎn)的距離和更大的回顧時(shí)間，就不會(huì)有同樣的效果。
宇宙的熵是多少？從光子約10 ^ 90位，從宇宙的大小應(yīng)該是10 ^ 120（把k的一個(gè)因素加入了），有趣的是我們可以計(jì)算出黑洞是占主導(dǎo)地位的因素。
宇宙的熵，量子糾纏，哈勃常數(shù)等等都與星系旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題有關(guān)？特別是因?yàn)楣?shù)在空間中是一個(gè)“常數(shù)”，但隨著時(shí)間的推移而改變。那么銀河旋轉(zhuǎn)是如何隨著時(shí)間/紅移而演化的呢？Verlinde沒(méi)有答案，因?yàn)榉匠讨械钠渌?shù)不會(huì)改變！
作者：Ethan Siegel（天體物理學(xué)家）
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