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Emergent gravity 理論可能迫使我們重寫物理定律

2024-03-25科學

在2009年,荷蘭理論物理學家艾歷·韋爾蘭德提出了一個具有顛覆性的假說,挑戰了人們對萬有重力的傳統理解。他認為,萬有重力並非宇宙間的一種基本力量,而是源於更深層次的物理過程。雖然當時這一理論缺乏廣泛的實驗支持,但它為我們提供了一個全新的視角,讓我們重新審視這個看似熟悉的力量。

在物理學領域,新興現象並不罕見。例如,溫度並非氣體的內在內容,而是微觀粒子碰撞的結果。這種從微觀到宏觀的轉變,正是統計力學研究的核心領域。統計力學為我們提供了一套工具,用以理解和描述這些從微觀粒子行為中湧現出來的宏觀特性。

然而,在物理學的其他領域,微觀行為與宏觀特性之間的聯系可能並不那麽直接。舉例來說,盡管我們已經對超導現象的基本機制有所了解,但我們仍然無法完全厘清微觀粒子是如何相互作用,從而產生高溫超導體的。

韋爾蘭德的理論靈感來自於20世紀70年代霍金和貝肯斯坦的發現:黑洞的許多特性可以用熱力學定律來描述。這些定律源自微觀過程,而韋爾蘭德認為,這並非巧合。他提出,我們所感知的重力可能源自某種更深層次的物理過程。

2009年,韋爾蘭德首次公開了他的理論,利用統計力學的原理,提出了一種新的重力表述。這一理論不僅挑戰了我們對重力的理解,還觸及了運動、慣性、空間和時間等基本概念。它暗示著我們所處的宇宙可能是由這些深層過程產生的結果。

起初,這一理論並未引起太多關註。畢竟,重新解釋一個已經確立的物理定律雖然不無可能,但要提供更深刻的見解則是另一回事。然而,2016年,韋爾蘭德進一步發展了他的理論,提出了一個關於暗能量的新觀點。他發現,含有暗能量的宇宙自然會導致空間產生一種新的湧現內容,使得空間在低密度區域向內擠壓。

這一發現立即引起了科學界的極大興趣,因為它為暗物質提供了一種新的解釋。暗物質是一種神秘的、看不見的物質,據信構成了宇宙中星系質素的主體。盡管暗物質假說能夠解釋許多觀測現象,如星系內部恒星的旋轉速度和宇宙中最大結構的演化,但我們仍未找到這種神秘粒子的實體。

韋爾蘭德的理論則提出了一種不依賴於暗物質存在的重力解釋。他認為,重力可能是一種"熵力",類似於氣體中分子的集體運動所帶來的氣體壓力。這種觀點與暗物質理論的依據形成了鮮明對比,後者主要基於以下幾個觀測事實:

星系旋轉曲線表明星系中存在額外質素;

星系團的重力透鏡效應顯示團內質素遠大於可見物質總和;

宇宙微波背景輻射的溫度波動反映了宇宙早期密度擾動。

韋爾蘭德的理論提供了一種替代的解釋,即不需要引入暗物質,而是透過考慮真空的量子纏結熵來解釋重力現象。他認為,重力是由真空的量子纏結熵呈展而來的,原先認為由暗物質造成的重力效應實際上源於真空和暗能量中存在的額外熵。

盡管在某些方面取得了成功,比如解釋星系旋轉曲線,但韋爾蘭德的理論仍需進一步發展和驗證,以解釋更多觀測結果。目前,該理論只適用於孤立、球形、靜態的系統,而宇宙是動態復雜的。因此,暗物質理論仍是一個有力競爭者,在學術界獲得廣泛支持。科學家們正在繼續探索和驗證這兩種理論,以期找到宇宙中重力現象的真正解釋。

韋爾蘭德的理論還重新得到了修正牛頓動力學方程式,這是一種不需暗物質存在即可解釋星系旋轉曲線的替代理論。他的理論認為,在宇觀尺度上,牛頓和愛因斯坦預言的重力行為將不再適用,需要考慮量子效應和全像原理。

然而多年來,實驗結果喜憂參半。在恒星旋轉速率方面,一些早期測試傾向於新重力,而不是暗物質。但最新觀測未發現這種優勢。暗物質還能解釋比旋轉曲線更多的問題;在星系團內的測試發現,湧現重力無法解釋這些問題。

這並非湧現重力的終結。這個想法尚屬新興,需在計算中作出諸多假設方能實作。在沒有一個完整實作的理論之前,很難說它對星系和星系團行為的預測是否準確地代表了湧現重力會告訴我們的情況。天文學家們仍在努力開發更嚴格的測試方法,比如利用宇宙微波背景數據,來真正檢驗這一理論。

新重力理論依然是一個引人入勝的想法。如果它是正確的,我們將不得不從根本上重塑對自然世界的理解,並透過從更深層、更復雜的相互作用中產生的視角來看待重力、運動,甚至更基本的概念如時間和空間。但就目前而言,這仍然只是一個有趣的想法。只有時間和廣泛的觀測測試才能告訴我們,我們是否走在正確的道路上。