廣義相對論留下的疑問：物質到底是如何影響時空的？

沒有什么比這更讓人困惑的了：整個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“東西”是什么。如果它是物質的一種形式，那么它一定是宇宙中最豐富的物質，然而所有的嘗試都以失敗告終。甚至大型強子對撞機也沒有看到它的身影。它仍然像它的名字一樣神秘：暗物質。

現在，一位理論家用一個極其簡單的解釋引發了爭議，解釋了為什么暗物質仍然沒有被發現：它不存在。

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

這一論斷使Verlinde與科學界一些最偉大的科學家的工作產生了矛盾，包括阿爾伯特·愛因斯坦，他著名的引力理論是現代物理學的基石之。廣義相對論已經取得了一系列的成功，包括2015年發現的引力波——兩個黑洞碰撞引起的時空結構中的漣漪。

Verlinde花了數年時間從理論和觀察中拼湊線索，創造出我們稱之為引力的全新視角。現在他的想法正在接受測試，結果很有趣。

在媒體上，Verlinde被譽為愛因斯坦的智力繼承者，但是他認為他的目標更實際。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扭曲空間和時間的結果一個世紀之后，這似乎是一個奇怪的說法。然而，根據Verlinde的說法，這忽略了一個事實，即廣義相對論仍然只是我們稱之為引力的一種描述。它留下了一個懸而未決的關鍵問題：物質究竟如何影響空間和時間。

為了進行他的研究，Verlinde不得不努力解決一些科學上最深奧的問題，包括尋求所謂的“萬物理論”——一種將引力和量子力學結合起來的理論，幾十年來一直被認為是物理學的圣杯。

理論家們早就知道，廣義相對論不可能是引力的最后定論。這是因為它沒有融合現代物理學的另一個基石——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50年代以來，理論家們一直試圖將兩種自然觀結合起來，形成一種包羅萬象的理論。

Verlinde說，問題在于，他們基于對現實截然不同的觀點。例如，廣義相對論假定精確地確定粒子的位置和運動方式是可能的，而量子理論則表明這是不可能的。Verlinde解釋說：“所以把重力考慮進去會給我們帶來一些問題。”

多年來，他致力于研究超弦理論，許多人認為這是克服這些問題最有希望的方法。然而，盡管經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中一個明顯不相干的部分之間的一系列令人驚訝的聯系：熱力學，即熱的物理。

在20世紀70年代早期，研究黑洞的理論家們——以其引力強度而“臭名昭著”——發現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。計算表明，黑洞包含的熵可能是最大的，可以塞進一個給定的空間體積。

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

考慮到熱物理和時空之間令人費解的聯系，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。熱曾經被認為是存在于物質內部和自身的基本屬性，比如電荷，但現在我們知道，它最終是由組成氣體、液體或固體的數百萬個原子和分子碰撞而成。構成物質的原子和分子運動得越快，它們擁有的能量就越多，物質的溫度就越高。因此，熱實際上是一種“涌現”的性質。

那么，被認為是基本的引力也可能是突現的嗎？它的真正起源與熵和那些極其微小的普朗克時空區域有關?

2010年，Verlinde發表了一篇論文，展示了如何利用他的理論精確地推導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。“與其他已知的涌現現象的相似之處，大多被認為只是具有啟發性的類比，”Verlinde宣稱。“是時候了，我們不僅要注意到這種類比，談論這種相似性，而且最終要廢除重力作為一種基本的力。”

盡管這一發現很有趣，但許多理論家仍然不相信這只是物理學上的一個怪癖。Verlinde需要的不僅僅是復制現有的理論，而是預測一些新的、可測試的東西。現在他相信他已經找到了暗物質之謎。

雖然在80多年前對星系團的研究中發現了暗物質存在的跡象，但這是星系內部一種奇特效應的發現，首次說服天文學家認真對待暗物質。

根據牛頓的萬有引力定律，離星系中心較遠的恒星的軌道運行速度應該比離星系中心較近的恒星慢。但在20世紀70年代，對螺旋星系內恒星的研究表明，在離中心一定距離之外，這種效應就會消失。最明顯的解釋是，恒星受到星系周圍無形物質云引力的影響。很快人們就明白了，無論這是什么東西，都不可能由物質的標準構件構成。這引發了一場全球性的努力，尋找一種可行的替代方案，這種努力一直持續到今天，但沒有取得任何成功。

這導致越來越多的人懷疑，最明顯的解釋是錯誤的。1983年,以色列魏茲曼科學研究所的物理學家米爾格教授,指出一個奇怪的事實銀河系暗物質的證據:也可以解釋如果牛頓定律無法準確解釋外的星系中恒星的運動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力學只是用另一個謎團取代了一個謎團：這種“臨界加速度”從何而來?這就是Verlinde決定利用他的涌現引力理論來發現的。他說:“我很快就找到了一種粗略的計算方法，或許可以解釋這個問題，但我必須花好幾年的時間，才能讓它更精確。”現在他相信自己成功了。

關鍵在于整個宇宙對引力存在所必需的關鍵因素的影響:熵。根據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，整個宇宙的尺度都在發生變化。暗能量在20世紀90年代首次被發現，是一種反引力，推動著宇宙的膨脹。它的起源仍然是個謎，但是Verlinde的計算表明暗能量導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，結果是加速效應產生了暗物質存在的錯覺。

他說:“在一個膨脹的宇宙中，引力定律必須按照牛頓動力學所指示的加速度范圍進行調整。”然而，與蒙德不同的是，他能夠利用基礎物理計算出這種效應。

Verlinde的理論不僅解釋了為什么暗物質從未被發現。長期以來，天文學家一直對螺旋星系的亮度與其自轉速度之間的“定律”感到困惑。被稱為圖利-費雪關系，使用傳統的引力理論是沒有意義的，但是Verlinde已經證明這是引力和熵之間聯系的自然結果。

支持Verlinde理論的進一步證據來自于最近對來自遙遠星系的光的研究。根據愛因斯坦的理論，星系的重力場可以彎曲光線的路徑。這就是所謂的“引力透鏡”效應。一個國際天文學家團隊發現，這種效應與弗林德理論的預測一致，不需要暗物質。

現在正在尋找證據，證明Verlinde的理論不僅解釋了牛頓動力學知識，而且表現得更好。這里出現了一些問題。天文學家弗雷德里科·萊利博士和他在歐洲南方天文臺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期的那樣。

“Verlinde的理論預測內部區域的引力比牛頓動力學只是更強，”Lelli解釋道。但這種影響似乎并不存在:“這似乎是一個嚴重的問題，”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曲線所需的暗物質數量與解釋早期宇宙觀測所需的暗物質數量一致?普林斯頓大學天體物理學家內塔·巴call教授說:“來自各種方法的暗物質觀測證據都驚人地一致。”

最簡單的解釋是暗物質確實存在，只是還沒有被發現。但是Verlinde指出他對引力本質的研究還遠未完成。他說:“要解釋這些影響，我們必須發展理論，使之能夠描述宇宙的宇宙學演化。”“我目前正在研究這些想法，但需要一些時間。”

考慮到如果他是對的，將會有巨大的回報，許多科學家愿意放佛林德一馬，我們正處在一個需要探索許多新思想的時期，這類事情需要很長時間才能解決。