空間、時間和引力都只是幻想嗎？

【博科園-科學科普】（本文超長超深度~未有理科生應的定力~請慎入閱讀）如我們所知宇宙是有一個根本的缺陷，讓我們知道人類的知識並是不完整的。四個基本力由兩個不同和相互不相容的框架描述：引力的廣義相對論和電磁和核力的量子場理論。（註：文中有不少術語，請自行查閱相關資料）

在德西特空間中兩個可能的糾纏模式，代表糾纏的量子信息，可能使空間、時間和引力的產生。圖片：Erik Verlinde

愛因斯坦的理論本身就是正確的，描述了物質與能量與時空曲率的關係。量子場理論本身也很好，描述了粒子如何相互作用和體驗力量。但是在引力場最強地方，也在最小的尺度上時我們無法描述自然，我們最偉大的理論物理學被打破了。

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象或粒子。控制微觀世界的三種相互作用都比重力強得多，並通過標準模型得到了統一。圖片版權：Typoform/Nobel Media

在傳統情況下量子場理論的計算是在平坦空間里進行的，而時空不是彎曲的。我們可以在愛因斯坦的引力理論所描述的彎曲空間里進行（儘管計算要困難得多）。這種半經典的方法讓我們走得更遠，但它並沒有無處不在。特別是在一些強領域的情況下也無法用現有的理論得出合理的答案：

1、當一個電子穿過雙狹縫時會發生什麼？

2、如果黑洞的最終狀態是熱輻射，那麼形成黑洞的粒子的信息會發生什麼變化呢？

3、一個奇異點周圍的引力場/力的行為是什麼？

如沒有量子引力理論，這些問題都沒有答案。

在黑洞視界之外，廣義相對論和量子場論完全足以理解所發生的物理現象。但在奇點附近，需要引力量子理論。圖片版權：NASA

我們通常所做的假設是有量子引力理論，而我們還沒有找到。也許是弦理論，也許這是一種替代方法，如循環量子引力，因果性動力學三角剖分或漸進安全的量子引力。但是自2009年以來一種新的令人興奮並具有假設性的挑戰性做法已經風靡：引力本身不是一個真正的根本力，而是一個虛幻的，突發性力。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象出現，這種現象是熵。

如果引力不是基本的，而是來自於基本量子信息的性質，也許這種看待宇宙的新方法將會回答一些最基本的謎題。圖片版權：flickr gallery of J. Gabas Esteban

聲波從分子間的相互作用中產生：原子由夸克、膠子和電子組成，以及電磁和強弱相互作用，行星系統從廣義相對論的引力中出現。但在熵的概念中以及其他一些場景(如qbits)——萬有引力，甚至是空間和時間，也可能以類似的方式從其他實體中出現。在控制熱力學的方程式和支配引力的方程式之間，有一些眾所周知的、密切的關係。眾所周知熱力學定律從更基本的統計力學領域中浮現出來，這也就是熵的概念，但有什麼比引力更重要的東西嗎？

如果引力本身不是一種基本的力，而是一種突發性的力量，那麼空間和時間的許多秘密可能會有不同於我們目前所尋求的解決方法。圖片版權：Zoltán V?r?s of flickr

Verlinde一直是這個理論的主要支持者，有一些有趣的進步途徑。Verlinde的方法是從一個黑洞的熵和霍金溫度開始，然後利用弦理論的思想，展示量子信息理論與引力、空間和時間的出現之間的關係。但也有一些大的開放式問題沒有令人滿意的答案。基於他最近發表的論文，這裡有三個思想：

1、他的模型允許引力質量出現，但沒有提到慣性質量，或者為什麼這兩者是一樣的(這就是愛因斯坦的等效原理)。

2、儘管宇宙的膨脹率在其歷史上發生了巨大的變化，但Verlinde所做的許多複雜的假設都只會讓我們的宇宙獲得更多的數據，如果將哈勃膨脹率應用於今天的話。

3、這個模型假定暗能量一直是宇宙中能量的主要形式，為了使這個框架有效，但事實是數十億年，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，而且所有關於引力的東西，包括空間和時間，都可以從這個推導出來，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理論的機會。

Erik Verlinde的演講於10月4日東部時間晚上7點發表，他展示他對萬有引力的新觀點，以及它對暗物質和暗能量的影響。圖片版權：Perimeter Institute

人們常說答案總是你最不喜歡的，也許如果你的想法是正確的，我們就會在這裡找到它。對於那些好奇引力的人，他提出了解釋最神秘引力的可能性，這是一個簡單而明確的概念。如果我們的宇宙真的是由比標準模型的粒子更基本的東西構成的，這可能是引領我們走向下一個前沿的關鍵突破！

這也可能是完全錯誤的。事實上很多人，尤其是暗物質的支持者(比如我)對Verlinde的想法非常懷疑。一個充滿可能性的新想法，即使它證明是錯誤的，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查。新的數學，新的創新以及新的視角往往會帶來一種新的視角來看待宇宙，即使我們最初的研究方法是徒勞的。除非你不看，否則你永遠不知道你會發現什麼。這可能是一個純粹的死胡同，但我們不知道，需要我們沿著那條路走下去！

四個相互碰撞的星系團，顯示x射線(粉紅色)和萬有引力(藍色)之間的分離，表示暗物質。圖片版權：x射線:NASA科學家/ UVic. /。Mahdavi et al .光學/透鏡:CFHT / uvici / A。Mahdavi等人(左上角);x射線:NASA科學家/ UCDavis / W。道森et al。光學:NASA /太空望遠鏡科學研究所/ UCDavis / W。道森等人(右上);ESA / xmm -牛頓/ F。加斯特羅(INAF / IASF，米蘭，義大利)/ CFHTLS(左下);x射線:NASA、ESA、CXC、m . Bradac(加州大學聖巴巴拉分校)和s . Allen(斯坦福大學)(右下)

在Verlinde的理論中，最具爭議的一個方面是它試圖解釋暗物質和暗能量，從各種天體物理學觀察這似乎是絕對必要的。Verlinde的理論最終會為這些觀測提供解釋嗎？我們可以希望，但他的理論還沒有完全實現。

一種陰極射線管的示意圖。圖片版權：Theresa Knott / Wikimedia Commons

Verlinde說粒子加速器是20世紀物理學的關鍵，他指齣電視甚至是一個粒子加速器。這對於老式的陰極射線管電視來說是正確的，它加速了屏幕上的電子，造成了光子的發射，從而產生了圖像。但我們現在使用LED技術；我們已經超越了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粒子來理解引力。

Verlinde對宇宙的推測。圖片版權：Perimeter Institute

可以用新的視角來代替粒子或其他基本點能得到新的答案嗎？然而這是危險的地方，因為它跨越了實際物理的邊界。根根據現實純粹的猜測，在那裡沒有觀察到的現象或實驗，可以表演來區分它們，Verlinde很想知道這條線索在哪裡。

宏觀的量，如溫度和壓強是由一組更基本的量組成的：例如構成氣體的單個粒子。當它們移動、相互作用和碰撞時就產生了這些宏觀性質。例如熵是系統微觀屬性的一個可導量。但是所設想的基本粒子，重力，甚至空間和時間是否有可能是由別的東西構成的呢？甚至熵在一個基本層面上？思想雖開放，但也要持懷疑態度。

（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開始，定義了熵：系統中信息的總比特數。事實上這需要被提升到qbits(量子比特)來解釋我們的量子宇宙，但這沒關係。

它以每秒7.9公里的速度實現「C」(穩定的環繞軌道)，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「下落」其實都是一樣的。這就是牛頓力學定律的地方，也是人類歷史上偉大的理論進步之一。200多年來是廣義相對論證明時間的兩倍多，牛頓引力就是宇宙中毫無疑問的冠軍，不要低估它的影響和重要性！

宇宙的結構時空，是一個很難理解的概念。但是多虧了愛因斯坦的廣義相對論，我們才能理解它。圖片版權：Pixabay user JohnsonMartin

Verlinde概述了「暗物質」的區別。一種新的不可見的質量來源)和「修正引力力」，即一種新的引力理論。愛因斯坦取代了牛頓，時空曲率決定物質和能量的運動，物質和能量決定了時空曲率。這個類比很明顯：Verlinde想要改變我們對引力的看法，而不是添加暗物質，然這是一個艱巨的任務而不一定成功。

三角星系M33的擴展旋轉曲線。隨著對模擬的恆星形成反饋的增加以及對正常到暗物質的比例的計算，暗物質最終能解釋這些觀察到的旋轉曲線嗎？圖片版權：Wikimedia Commons user Stefania.deluca

是什麼改變了引力？

1、大規模結構的形成

2、宇宙微波背景下的波動

3、星系群內單個星系的運動

4、引力透鏡的數量和形狀

5、合併星系團的引力作用

6、sachs - wolfe和整合sachs - wolfe效應

7、暗物質與正常物質從單個恆星的運動中推斷出的)在不同尺度/大小的星系中所佔比例的變化

我們有很多關於暗物質的證據，而唯一可以改變引力的地方是在單個星系的尺度上。

圖片：Perimeter Institute

Verlinde討論的是彈性，所有粒子相互作用的衍生(湧現)性質。Verlinde的論點就像愚蠢的粒子流動一樣，也許是引力或者暗物質，是一個更基本的基礎理論的衍生和湧現性。是的，愛因斯坦是對的，但也許其他的東西更正確，也就是說，從根本上從愛因斯坦的方程可以推導出來。

不要拋棄暗物質，只是因為我們還沒有在實驗室里成功地直接檢測到它，這並不是證明暗物質不存在的證據！這意味著我們能夠建造的探測器和也能夠探測到的，主要是尋找wimp型暗物質的探測器都沒有成功。但缺乏證據並不是沒有證據，否則就是純粹的猜測。

圖片：Perimeter Institute

是的，引力透鏡顯示了暗物質的需要。這只是一個質量問題，而lensing(既強又弱的透鏡)是對暗物質的有力的間接驗證。同樣沒有任何修正的引力理論，包括Verlinde的可以解釋所有這些大規模的觀測。

你看到這個漂亮的圖形了嗎？是的，從我們的角度來看這是一個令人難以置信的例子。早期的星系，黑暗時代宇宙微波背景都是可見的。

來自三個獨立來源的暗能量信息，即使沒有超新星，我們也需要暗能量。圖片：超新星宇宙學項目， Amanullah, et al., Ap.J. (2010)

但再一次要看宇宙中95%的能量並不知道它是什麼，換句話說暗物質和暗能量，並不意味著我們的宇宙圖像有任何問題。有不接受相對論的人，不接受量子力學，不要接受引力場理論或黑洞的存在等等，為什麼你的直覺或者在有限的經驗背景下對你頭腦有什麼意義，成為現實的鏡子？這是相當傲慢的，不僅需要保護我們自己，而不是擁抱說服自己我們的直覺是正確的。

霍金輻射是量子物理學在黑洞視界周圍彎曲時空中預測的必然結果。這張圖顯示的是在視界外產生輻射的能量，也就是說黑洞必須失去質量來補償。圖片：E. Siege

貝肯斯坦-霍金輻射以近乎正確的方式被提出，他說的是量子力學太天真了。它不是粒子反粒子對，其中一個出來，主要是光子和黑體輻射，而不是粒子或反粒子。它也需要量子場理論來描述，甚至我上面所做的改進的插圖也沒有完全描述它。但正確的是黑洞的面積(與其質量有關)與它的熵成正比。

Verlinde說：這是愛因斯坦理論的第一個裂縫，但不認為這是正確的。熵是可以在廣義相對論的基礎上推導出來的，但它並不意味著愛因斯坦的理論有任何問題。事實上從Verlinde的爭論中認為暗物質是理論的第一個裂縫。在這個問題上我不同意，但至少我知道他是從哪裡來的。

圖片：Perimeter Institute

如果你用電腦里的qbits替換比特，就不會有0和1，因此在這兩者之間的一切會有疊加。事實上可以將許多量子點相互糾纏，這就是為什麼量子計算機為傳統的「經典」計算機提供了更強大的可能性。

似乎暗示了糾纏的量子粒子或量子信息是產生暗物質的原因。隨著宇宙的膨脹，糾纏的數量隨著時間的推移而增加。那麼這對暗物質密度(或者說它如何顯現)的時間有何影響呢？目前沒有答案，但我知道Verlinde的理論已經改變了……但至少現在我們終於得到了糾纏和暗物質之間的聯繫。

Verlinde問了一個大問題：量子糾纏/引力是否解釋了牛頓定律在星系旋轉中的偏離？這是對重力變化最簡單的問題，但到目前為止的答案是「只有一瞬間」，如果我們看更遠的距離和更大的回顧時間，就不會有同樣的效果。

宇宙的熵是多少？從光子約10 ^ 90位，從宇宙的大小應該是10 ^ 120（把k的一個因素加入了），有趣的是我們可以計算出黑洞是佔主導地位的因素。

宇宙的熵，量子糾纏，哈勃常數等等都與星系旋轉的問題有關？特別是因為哈勃常數在空間中是一個「常數」，但隨著時間的推移而改變。那麼銀河旋轉是如何隨著時間/紅移而演化的呢？Verlinde沒有答案，因為方程中的其它常數不會改變！

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：卿君側

審校：博科園

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