暗物質(zhì)根本不存在？一個(gè)新的量子引力理論
Erik Verlinde（圖片來源：Quanta Magazine）
主編的話：
最近十幾年理論物理的進(jìn)展，揭示了不僅所有基本粒子可以起源于形成空間的量子比特之間的量子糾纏，甚至空間本身的幾何，和由彎曲幾何所引起的引力，也可能起源于量子糾纏。一般量子體系的基態(tài)，其量子糾纏滿足所謂的面積定律：也就是兩個(gè)區(qū)域之間的量子糾纏，正比于這兩個(gè)區(qū)域接觸的面積。一些人相信，滿足面積定律的量子糾纏可以導(dǎo)出滿足牛頓定律的引力。如果我們的宇宙有暗能量，其量子糾纏還包括一項(xiàng)和體積成正比的貢獻(xiàn)。如果相信引力是起源于量子糾纏的話，最近Verlinde提出由暗能量所引起的和體積成正比的量子糾纏，會(huì)改變?cè)诔L距離上的牛頓定律。Verlinde指出星系中恒星的反常運(yùn)動(dòng)，可能不是來源于暗物質(zhì)，而是來源于修正的牛頓定律。也許根本就沒有暗物質(zhì)。今天這篇文章介紹了Verlinde的新理論。
——文小剛
撰文 Natalie Wolchover
翻譯 金莊維
審校 張士超
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天文觀測(cè)暗示星系和其他宇宙結(jié)構(gòu)被某種神秘的不可見力量所吸引。80年來，研究人員為此傷透了腦筋。為了解釋觀測(cè)到的現(xiàn)象，他們假設(shè)宇宙中存在“暗物質(zhì)”，并且所占的比例（~23%）是可見物質(zhì)（~4%）的五倍多！這或許意味著我們對(duì)宇宙知之甚少。
暗物質(zhì)理論的前提條件是研究人員完全了解宇宙中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但在2016年11月，一系列進(jìn)展顛覆了人們的認(rèn)知，“暗物質(zhì)不存在論”死灰復(fù)燃。這種觀點(diǎn)認(rèn)為在宇宙的尺度上，牛頓和愛因斯坦預(yù)言的引力行為不再適用。通過修正引力理論，我們也不再需要所謂的暗物質(zhì)。
修正派的代表人物之一是阿姆斯特丹大學(xué)的理論物理學(xué)家 Erik Verlinde，他以想法大膽、前衛(wèi)（即便并不完美）而聞名。11月7日，Verlinde 將長達(dá)51頁的論文貼到 arXiv 上，宣稱引力是量子相互作用的副產(chǎn)品，原先認(rèn)為由暗物質(zhì)造成的引力效應(yīng)其實(shí)源于普通物質(zhì)和“暗能量”（時(shí)空的背景能量）的相互作用。他的最新嘗試再次引起熱議。
愛因斯坦將引力定義為物質(zhì)引起的時(shí)空彎曲效應(yīng)。而 Verlinde 采用了一種時(shí)髦的觀點(diǎn)：引力是種“誘導(dǎo)現(xiàn)象”（也譯作“演生現(xiàn)象”）。時(shí)空和其中的物質(zhì)只是全息圖，它們背后是由量子比特構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。這就好比電腦游戲由硅片上的經(jīng)典比特編碼而成。在誘導(dǎo)引力的框架下，Verlinde 認(rèn)為暗能量源于量子比特的某種性質(zhì)。在時(shí)空全息圖的大尺度上，暗能量和普通物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生了存在“暗物質(zhì)”的假象。
通過計(jì)算，Verlinde 重新得到了“修正牛頓動(dòng)力學(xué)（modified Newtonian dynamics，MOND）”方程。擁有30年歷史的 MOND 在對(duì)經(jīng)典的平方反比律（即牛頓定律及相對(duì)論）進(jìn)行修正后，能夠解釋一些原本被認(rèn)為由暗物質(zhì)引起的現(xiàn)象。這個(gè)丑陋的“補(bǔ)丁”居然管用！長期以來，物理學(xué)家對(duì)此感到不可思議。而這回，Verlinde 從更基本的層面解釋了 MOND 成功的原因。
暗物質(zhì)和引力修正理論能夠解釋牛頓和愛因斯坦的理論都無能為力的星系軌道之謎。
在牛頓和愛因斯坦的理論中，引力遵循平方反比律：兩個(gè)有質(zhì)量物體間的引力與它們之間距離的平方成反比。這就意味著離星系中心越遠(yuǎn)的恒星受到的引力越弱，公轉(zhuǎn)也越慢。在星系內(nèi)部，情況的確如此，但當(dāng)兩者的距離達(dá)到某個(gè)臨界值后，恒星的公轉(zhuǎn)速度趨于平穩(wěn)。Vera Rubin 在上世紀(jì)七十年代首次發(fā)現(xiàn)星系旋轉(zhuǎn)曲線“平坦化”，這被公認(rèn)為暗物質(zhì)存在的鐵證：星系周圍的暗物質(zhì)“暈”對(duì)外圍恒星施加了額外的引力，使公轉(zhuǎn)速度增加。
星系旋轉(zhuǎn)曲線問題：根據(jù)平方反比律，恒星 B 比恒星 A 受到的引力弱，公轉(zhuǎn)更慢；而實(shí)際觀測(cè)到情況是當(dāng)半徑大于某個(gè)臨界值時(shí)，恒星的公轉(zhuǎn)速度不再下降。（圖片來源：Quanta Magazine）
大量實(shí)驗(yàn)致力于尋找暗物質(zhì)粒子——主要候選者有弱相互作用大質(zhì)量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）和稍輕一些的軸子——然而至今一無所獲。
與此同時(shí)，在上世紀(jì)七八十年代，包括 Milgrom 在內(nèi)的一些研究人員另辟蹊徑：對(duì)引力理論進(jìn)行修正。早期的很多嘗試被輕易排除，但 Milgrom 發(fā)現(xiàn)了制勝之道：當(dāng)恒星的向心加速度（受引力作用而產(chǎn)生）低于某個(gè)值時(shí)，引力不再遵循平方反比律，而是與距離近似成反比關(guān)系。這個(gè)臨界值等于0.00000000012 m/s2，相當(dāng)于我們?cè)诘厍虮砻娓惺艿降闹亓铀俣鹊那|分之一?！耙π拚碚撝写嬖凇Хā叨?，” McGaugh 說道，“高于這個(gè)尺度時(shí)，一切都很正常；低于這個(gè)尺度時(shí)，引力的行為出現(xiàn)異常。但現(xiàn)有理論無法解釋這種突變?nèi)绾萎a(chǎn)生?！?/span>
破解星系軌道之謎的兩種理論：暗物質(zhì)理論認(rèn)為，巨大的暗物質(zhì)“暈”對(duì)外圍恒星施加額外的引力作用，使星系旋轉(zhuǎn)曲線變得平坦；引力修正理論認(rèn)為當(dāng)半徑大于臨界值時(shí)，引力不再遵循平方反比律。（圖片來源：Quanta Magazine）
然而物理學(xué)家并不喜歡這種“魔法”——用暗物質(zhì)解釋宇宙學(xué)觀測(cè)結(jié)果容易得多。大家因此漸漸拋棄了 MOND。但 Verlinde 的理論試圖揭示“魔法”背后的原因，使得 MOND 東山再起。
很多引力專家認(rèn)為 Verlinde 的論文非常有趣，但不易理解。他的觀點(diǎn)是否站得住腳還有待檢驗(yàn)。湊巧的是，11月9日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上的一篇論文中，凱斯西儲(chǔ)大學(xué) Stacy McGaugh 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)分析了來自153個(gè)不同種類的盤狀星系的數(shù)據(jù)，他們的結(jié)果進(jìn)一步鞏固了 MOND 的地位。
McGaugh 團(tuán)隊(duì)的研究人員比較了每個(gè)星盤內(nèi)不同半徑處向心加速度的計(jì)算值（可見物質(zhì)給出的引力）和觀測(cè)值（可見物質(zhì)實(shí)際感受到的引力），發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)值密切相關(guān)。在 MOND 框架下，他們的結(jié)論可以得到完美解釋：即便引力需要修正，可見物質(zhì)仍是驅(qū)動(dòng)星系旋轉(zhuǎn)的引力的唯一來源，因此星系的旋轉(zhuǎn)曲線與可見物質(zhì)含量之間關(guān)系緊密。這時(shí)，暗物質(zhì)的存在便顯得多余了。
正當(dāng)暗物質(zhì)的支持派奮起反擊時(shí)，又一個(gè)挑戰(zhàn)出現(xiàn)了。由荷蘭天文學(xué)家組成的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì) Verlinde 的理論進(jìn)行了首次檢驗(yàn)。通過比較理論公式和來自三萬多個(gè)星系的數(shù)據(jù)，萊頓大學(xué)的 Margot Brouwer 和她的同事發(fā)現(xiàn)，Verlinde 準(zhǔn)確地預(yù)言了來自星系的引力透鏡效應(yīng)（原先也以為是由暗物質(zhì)引起的現(xiàn)象）。他們已經(jīng)在專業(yè)研討會(huì)上做了相關(guān)報(bào)告，相關(guān)論文于12月12日發(fā)表于《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》（Monthly Notices of the Royal astronomical Society）。這個(gè)結(jié)果倒是在大家的意料之中，因?yàn)樘岢?MOND 的先驅(qū)者，以色列天體物理學(xué)家 Mordehai Milgrom 早在幾年前就證明了 MOND 與引力透鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)符合得很好。Verlinde 的新理論還需要在傳統(tǒng) MOND 失效的情況下對(duì)“由暗物質(zhì)引起”的現(xiàn)象重新進(jìn)行闡釋。
勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的暗物質(zhì)理論家 Kathryn Zurek 表示，Verlinde 的想法至少證明了引力修正有其成功之處，但存在的挑戰(zhàn)之一，是至今仍然沒有可以解釋這種修正的可靠理論。如果 Verlinde 的工作最終給出了合理的框架，那么這就足以吸引大家更加認(rèn)真地看待MOND。
早在2010年，Verlinde就有了關(guān)于新 MOND 的最初想法。這個(gè)想法基于他數(shù)月之前發(fā)表的另一篇著名論文，其中他大膽宣稱引力并不存在。綜合物理學(xué)前沿的很多概念和猜想，他得出結(jié)論：引力是一種熱力學(xué)誘導(dǎo)效應(yīng)，與熵增（混亂度的增加）有關(guān)。和現(xiàn)在的情況類似的是，當(dāng)時(shí)專家們覺得“熵力”難以理解。不過那篇論文還是引起了許多討論（引用超過500次）。
雖然后來有人證明 Verlinde 論文中的熵力并不正確，但他的直覺非常敏銳。同樣基于誘導(dǎo)效應(yīng)的靈感，其他理論物理學(xué)家發(fā)展出了引力和時(shí)空的全息描述。現(xiàn)在，Verlinde 將這種方法吸收到了新工作中。
全息宇宙（圖片來源：plus.maths.org）
在全息框架下，彎曲時(shí)空和其中的一切都是量子信息的幾何表示。換言之，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在量子比特中。和經(jīng)典比特不同，量子比特能夠以不同的概率同時(shí)處于兩個(gè)態(tài)（0和1）。此外，量子比特之間能夠相互糾纏。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子比特?zé)o論空間上離得多遠(yuǎn)，我們對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行測(cè)量，就能知道另一個(gè)的狀態(tài)。如何將量子比特的糾纏模式“翻譯”成與此相關(guān)的時(shí)空幾何？物理學(xué)家已經(jīng)開始研究其中的數(shù)學(xué)規(guī)則。例如，一列只與最近鄰對(duì)象發(fā)生糾纏的量子比特代表了平直空間。更復(fù)雜的糾纏模式能產(chǎn)生諸如夸克、電子這樣的物質(zhì)粒子，粒子質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲，因而產(chǎn)生引力。
物理學(xué)家很快就得到了反德西塔（anti-de Sitter，AdS）空間中全息宇宙的數(shù)學(xué)“翻譯”規(guī)則。但在我們生存的宇宙（德西塔時(shí)空幾何）中，“翻譯”規(guī)則復(fù)雜得多。Verlinde 在最新的論文中猜測(cè)，恰恰是德西塔時(shí)空的幾何性質(zhì)導(dǎo)致了存在暗物質(zhì)的錯(cuò)覺。
德西塔宇宙（圖片來源：criptogramas.wordpress.com）
當(dāng)你眺望遠(yuǎn)方時(shí)，德西塔時(shí)空會(huì)隨著視線伸展。因此，時(shí)空中必須包括少量背景能量（暗能量）來驅(qū)使時(shí)空相互“分離”。Verlinde 利用熱能來模擬暗能量，這就好像宇宙被加熱到了一個(gè)激發(fā)態(tài)（相反，反德西塔空間是處于基態(tài)的系統(tǒng)，因此便于研究）。Verlinde 將這種熱能與量子比特間的長距糾纏聯(lián)系在一起——糾纏對(duì)似乎受到震動(dòng)而被迫分開。由于物質(zhì)的存在會(huì)破壞這種長距糾纏，相當(dāng)于將暗能量從它所在的時(shí)空區(qū)域中“驅(qū)除”。而當(dāng)暗能量試圖重新回到這片區(qū)域時(shí)，便會(huì)向物質(zhì)施加某種彈性響應(yīng)，這就相當(dāng)于引力。
由于糾纏具有長程屬性，時(shí)空范圍越大，彈性響應(yīng)越重要。Verlinde 通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)這會(huì)導(dǎo)致星系的旋轉(zhuǎn)曲線恰好在“魔法”尺度偏離牛頓的平方反比律。
Van Raamsdonk 認(rèn)為 Verlinde 的想法指出了一個(gè)非常重要的方向。但他也表示論文的自洽性還有待檢驗(yàn)——從量子信息理論、熱力學(xué)、凝聚態(tài)物理、全息和天體物理中擷取的概念和方法未必相互支持、沒有矛盾。無論如何，這種想法非常有趣，進(jìn)一步的檢驗(yàn)也將帶來啟發(fā)。
而哈佛大學(xué)的 Brian Swingle 認(rèn)為 Verlinde 的論文中存在一個(gè)問題：缺少具體的宇宙模型。這就為未經(jīng)證明的猜測(cè)留有更多余地。而反德西塔空間雖然和我們的宇宙關(guān)系不大，但研究人員可以在其中構(gòu)造具體模型，走得更遠(yuǎn)。我們需要對(duì)更接近我們宇宙的德西塔時(shí)空進(jìn)行深入研究，而 Verlinde 的論文有望帶來更多線索。
Verlinde 的新工作可能走在時(shí)代前沿，也可能完全錯(cuò)誤。這取決于他的理論能否重新解釋傳統(tǒng) MOND 無能為力而暗物質(zhì)理論卻可以輕松解決的問題。
其中一個(gè)問題和“子彈星團(tuán)”有關(guān)。子彈星團(tuán)是兩個(gè)發(fā)生碰撞的星系團(tuán)。碰撞過程中，可見物質(zhì)彼此相撞，而引力透鏡暗示大量暗物質(zhì)（不與可見物質(zhì)發(fā)生相互作用）像“隱形人”那樣穿過碰撞帶。有些物理學(xué)家認(rèn)為這是暗物質(zhì)存在的確鑿證據(jù)。但 Verlinde 表示他的理論能夠很好地解釋子彈星團(tuán)的行為：暗能量的引力效應(yīng)嵌入在時(shí)空中，與物質(zhì)相比不易發(fā)生變形，這就使得星團(tuán)碰撞過程中兩者分離。
然而，Verlinde 的理論面對(duì)的最大挑戰(zhàn)是解釋宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB）中的“暗物質(zhì)蹤跡”。CMB 是來自宇宙嬰兒期的古老光線，觀測(cè)數(shù)據(jù)（角功率譜）中存在一系列峰谷，這揭示了當(dāng)時(shí)物質(zhì)系統(tǒng)反復(fù)由于引力收縮、又因?yàn)樽韵嗷プ饔茫▔簭?qiáng)）膨脹的過程。而暗物質(zhì)不發(fā)生相互作用，它們只收縮不膨脹，這會(huì)調(diào)節(jié) CMB 峰的幅度。暗物質(zhì)理論對(duì) CMB 峰的預(yù)言與觀測(cè)數(shù)據(jù)相符。而傳統(tǒng) MOND 遭受的致命打擊之一就是無法解釋 CMB 角功率譜中峰的幅度。Verlinde 希望他的新工作可以奏效——物質(zhì)與暗能量的引力效應(yīng)可以彼此分離，產(chǎn)生不同的行為。然而他尚未對(duì)此進(jìn)行全面的計(jì)算。
CMB 角功率譜（圖片來源：ESA and the Planck Collaboration）
正當(dāng) Verlinde 面臨這些挑戰(zhàn)時(shí)，暗物質(zhì)的支持派也開始行動(dòng)。在十月份，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立地解釋了 McGaugh 團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)：星系旋轉(zhuǎn)速度和可見物質(zhì)含量之間存在普適的關(guān)聯(lián)。
他們認(rèn)為星系形成時(shí)，星系暈中暗物質(zhì)的含量能夠精確地決定可見物質(zhì)的含量（二者并非獨(dú)立）。因此，即便星系的旋轉(zhuǎn)速度由明暗物質(zhì)共同決定，它仍會(huì)與其中任一種物質(zhì)的含量產(chǎn)生確切的關(guān)聯(lián)。然而，對(duì)星系形成過程進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬尚未顯示出明暗物質(zhì)含量間的相關(guān)性。研究人員正在改進(jìn)模擬程序。來自匹茲堡大學(xué)的 Arthur Kosowsky 表示現(xiàn)在還無法判斷計(jì)算機(jī)模擬能否與 McGaugh 團(tuán)隊(duì)的所有數(shù)據(jù)吻合。如果不能，標(biāo)準(zhǔn)暗物質(zhì)理論將陷入巨大的麻煩。并且，修正派認(rèn)為即使數(shù)據(jù)能夠吻合，也只是個(gè)難以置信的巧合。
由于擁有大量間接證據(jù)，學(xué)術(shù)界幾乎達(dá)成共識(shí)：暗物質(zhì)可能真的存在。但 Zurek表示，即使暗物質(zhì)理論可以解釋一切，研究人員仍應(yīng)重視不同的聲音。
原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/20161129-verlinde-gravity-dark-matter/
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