空间、时间和引力都只是幻想吗？

不变

【博科园-科学科普】（本文超长超深度~未有理科生应的定力~请慎入阅读）如我们所知宇宙是有一个根本的缺陷，让我们知道人类的知识并是不完整的。四个基本力由两个不同和相互不相容的框架描述：引力的广义相对论和电磁和核力的量子场理论。（注：文中有不少术语，请自行查阅相关资料）

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在德西特空间中两个可能的纠缠模式，代表纠缠的量子信息，可能使空间、时间和引力的产生。图片：Erik Verlinde

爱因斯坦的理论本身就是正确的，描述了物质与能量与时空曲率的关系。量子场理论本身也很好，描述了粒子如何相互作用和体验力量。但是在引力场最强地方，也在最小的尺度上时我们无法描述自然，我们最伟大的理论物理学被打破了。

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四种自然基本力(或相互作用)携带粒子以及受它们影响的现象或粒子。控制微观世界的三种相互作用都比重力强得多，并通过标准模型得到了统一。图片版权：Typoform/Nobel Media

在传统情况下量子场理论的计算是在平坦空间里进行的，而时空不是弯曲的。我们可以在爱因斯坦的引力理论所描述的弯曲空间里进行（尽管计算要困难得多）。这种半经典的方法让我们走得更远，但它并没有无处不在。特别是在一些强领域的情况下也无法用现有的理论得出合理的答案：
1、当一个电子穿过双狭缝时会发生什么？
2、如果黑洞的最终状态是热辐射，那么形成黑洞的粒子的信息会发生什么变化呢？
3、一个奇异点周围的引力场/力的行为是什么？
如没有量子引力理论，这些问题都没有答案。

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在黑洞视界之外，广义相对论和量子场论完全足以理解所发生的物理现象。但在奇点附近，需要引力量子理论。图片版权：NASA

我们通常所做的假设是有量子引力理论，而我们还没有找到。也许是弦理论，也许这是一种替代方法，如循环量子引力，因果性动力学三角剖分或渐进安全的量子引力。但是自2009年以来一种新的令人兴奋并具有假设性的挑战性做法已经风靡：引力本身不是一个真正的根本力，而是一个虚幻的，突发性力。由埃里克·弗林德德（Erik Verlinde）率先提出，想法是：引力从宇宙中更根本的现象出现，这种现象是熵。

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如果引力不是基本的，而是来自于基本量子信息的性质，也许这种看待宇宙的新方法将会回答一些最基本的谜题。图片版权：flickr gallery of J. Gabas Esteban

声波从分子间的相互作用中产生：原子由夸克、胶子和电子组成，以及电磁和强弱相互作用，行星系统从广义相对论的引力中出现。但在熵的概念中以及其他一些场景(如qbits)——万有引力，甚至是空间和时间，也可能以类似的方式从其他实体中出现。在控制热力学的方程式和支配引力的方程式之间，有一些众所周知的、密切的关系。众所周知热力学定律从更基本的统计力学领域中浮现出来，这也就是熵的概念，但有什么比引力更重要的东西吗？

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如果引力本身不是一种基本的力，而是一种突发性的力量，那么空间和时间的许多秘密可能会有不同于我们目前所寻求的解决方法。图片版权：Zoltán Vrs of flickr

Verlinde一直是这个理论的主要支持者，有一些有趣的进步途径。Verlinde的方法是从一个黑洞的熵和史蒂芬霍金温度开始，然后利用弦理论的思想，展示量子信息理论与引力、空间和时间的出现之间的关系。但也有一些大的开放式问题没有令人满意的答案。基于他最近发表的论文，这里有三个思想：

1、他的模型允许引力质量出现，但没有提到惯性质量，或者为什么这两者是一样的(这就是爱因斯坦的等效原理)。
2、尽管宇宙的膨胀率在其历史上发生了巨大的变化，但Verlinde所做的许多复杂的假设都只会让我们的宇宙获得更多的数据，如果将哈勃膨胀率应用于今天的话。
3、这个模型假定暗能量一直是宇宙中能量的主要形式，为了使这个框架有效，但事实是数十亿年，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)拥有温度和信息，而且所有关于引力的东西，包括空间和时间，都可以从这个推导出来，太大而不能忽视。（2017年10月4日）多亏了周边研究所，Verlinde获得了与世界分享这个理论的机会。

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Erik Verlinde的演讲于10月4日东部时间晚上7点发表，他展示他对万有引力的新观点，以及它对暗物质和暗能量的影响。图片版权：Perimeter Institute

人们常说答案总是你最不喜欢的，也许如果你的想法是正确的，我们就会在这里找到它。对于那些好奇引力的人，他提出了解释最神秘引力的可能性，这是一个简单而明确的概念。如果我们的宇宙真的是由比标准模型的粒子更基本的东西构成的，这可能是引领我们走向下一个前沿的关键突破！
这也可能是完全错误的。事实上很多人，尤其是暗物质的支持者(比如我)对Verlinde的想法非常怀疑。一个充满可能性的新想法，即使它证明是错误的，而不是我们的物理世界的描述性，也可以是一种引人入胜的调查。新的数学，新的创新以及新的视角往往会带来一种新的视角来看待宇宙，即使我们最初的研究方法是徒劳的。除非你不看，否则你永远不知道你会发现什么。这可能是一个纯粹的死胡同，但我们不知道，需要我们沿着那条路走下去！

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四个相互碰撞的星系团，显示x射线(粉红色)和万有引力(蓝色)之间的分离，表示暗物质。图片版权：x射线:NASA科学家/ UVic. /。Mahdavi et al .光学/透镜:CFHT / uvici / A。Mahdavi等人(左上角);x射线:NASA科学家/ UCDavis / W。道森et al。光学:NASA /太空望远镜科学研究所/ UCDavis / W。道森等人(右上);ESA / xmm -牛顿/ F。加斯特罗(INAF / IASF，米兰，意大利)/ CFHTLS(左下);x射线:NASA、ESA、CXC、m . Bradac(加州大学圣巴巴拉分校)和s . Allen(斯坦福大学)(右下)

在Verlinde的理论中，最具争议的一个方面是它试图解释暗物质和暗能量，从各种天体物理学观察这似乎是绝对必要的。Verlinde的理论最终会为这些观测提供解释吗？我们可以希望，但他的理论还没有完全实现。

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一种阴极射线管的示意图。图片版权：Theresa Knott / Wikimedia Commons

Verlinde说粒子加速器是20世纪物理学的关键，他指出电视甚至是一个粒子加速器。这对于老式的阴极射线管电视来说是正确的，它加速了屏幕上的电子，造成了光子的发射，从而产生了图像。但我们现在使用LED技术；我们已经超越了CRTs和粒子加速器。有可能需要去了解信息的量子比特(qbits)，而不是我们理解的单个粒子来理解引力。

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Verlinde对宇宙的推测。图片版权：Perimeter Institute

可以用新的视角来代替粒子或其他基本点能得到新的答案吗？然而这是危险的地方，因为它跨越了实际物理的边界。根根据现实纯粹的猜测，在那里没有观察到的现象或实验，可以表演来区分它们，Verlinde很想知道这条线索在哪里。
宏观的量，如温度和压强是由一组更基本的量组成的：例如构成气体的单个粒子。当它们移动、相互作用和碰撞时就产生了这些宏观性质。例如熵是系统微观属性的一个可导量。但是所设想的基本粒子，重力，甚至空间和时间是否有可能是由别的东西构成的呢？甚至熵在一个基本层面上？思想虽开放，但也要持怀疑态度。

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（2017）10月4日在圆周研究所的视频截图，图片：Perimeter Institute

至少我们从Verlinde开始，定义了熵：系统中信息的总比特数。事实上这需要被提升到qbits(量子比特)来解释我们的量子宇宙，但这没关系。

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它以每秒7.9公里的速度实现“C”(稳定的环绕轨道)，而“E”则以11.2千米/秒的速度逃离地球的引力力。图片：Brian Brondel under a c.c.a.-s.a.-3.0 license

在牛顿的概念里中引力绕着地球转“下落”其实都是一样的。这就是牛顿力学定律的地方，也是人类历史上伟大的理论进步之一。200多年来是广义相对论证明时间的两倍多，牛顿引力就是宇宙中毫无疑问的冠军，不要低估它的影响和重要性！

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宇宙的结构时空，是一个很难理解的概念。但是多亏了爱因斯坦的广义相对论，我们才能理解它。图片版权：Pixabay user JohnsonMartin

Verlinde概述了“暗物质”的区别。一种新的不可见的质量来源)和“修正引力力”，即一种新的引力理论。爱因斯坦取代了牛顿，时空曲率决定物质和能量的运动，物质和能量决定了时空曲率。这个类比很明显：Verlinde想要改变我们对引力的看法，而不是添加暗物质，然这是一个艰巨的任务而不一定成功。

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三角星系M33的扩展旋转曲线。随着对模拟的恒星形成反馈的增加以及对正常到暗物质的比例的计算，暗物质最终能解释这些观察到的旋转曲线吗？图片版权：Wikimedia Commons user Stefania.deluca

是什么改变了引力？
1、大规模结构的形成
2、宇宙微波背景下的波动
3、星系群内单个星系的运动
4、引力透镜的数量和形状
5、合并星系团的引力作用
6、sachs - wolfe和整合sachs - wolfe效应
7、暗物质与正常物质从单个恒星的运动中推断出的)在不同尺度/大小的星系中所占比例的变化
我们有很多关于暗物质的证据，而唯一可以改变引力的地方是在单个星系的尺度上。

图片：Perimeter Institute

Verlinde讨论的是弹性，所有粒子相互作用的衍生(涌现)性质。Verlinde的论点就像愚蠢的粒子流动一样，也许是引力或者暗物质，是一个更基本的基础理论的衍生和涌现性。是的，爱因斯坦是对的，但也许其他的东西更正确，也就是说，从根本上从爱因斯坦的方程可以推导出来。

不要抛弃暗物质，只是因为我们还没有在实验室里成功地直接检测到它，这并不是证明暗物质不存在的证据！这意味着我们能够建造的探测器和也能够探测到的，主要是寻找wimp型暗物质的探测器都没有成功。但缺乏证据并不是没有证据，否则就是纯粹的猜测。

图片：Perimeter Institute

是的，引力透镜显示了暗物质的需要。这只是一个质量问题，而lensing(既强又弱的透镜)是对暗物质的有力的间接验证。同样没有任何修正的引力理论，包括Verlinde的可以解释所有这些大规模的观测。

图片：Perimeter Institute

你看到这个漂亮的图形了吗？是的，从我们的角度来看这是一个令人难以置信的例子。早期的星系，黑暗时代宇宙微波背景都是可见的。

图注：

来自三个独立来源的暗能量信息，即使没有超新星，我们也需要暗能量。图片：超新星宇宙学项目， 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，换句话说暗物质和暗能量，并不意味着我们的宇宙图像有任何问题。有不接受相对论的人，不接受量子力学，不要接受引力场理论或黑洞的存在等等，为什么你的直觉或者在有限的经验背景下对你头脑有什么意义，成为现实的镜子？这是相当傲慢的，不仅需要保护我们自己，而不是拥抱说服自己我们的直觉是正确的。

图注：

史蒂芬霍金辐射是量子物理学在黑洞视界周围弯曲时空中预测的必然结果。这张图显示的是在视界外产生辐射的能量，也就是说黑洞必须失去量来补偿。图片：E. Siege

贝肯斯坦-史蒂芬霍金辐射以近乎正确的方式被提出，他说的是量子力学太天真了。它不是粒子反粒子对，其中一个出来，主要是光子和黑体辐射，而不是粒子或反粒子。它也需要量子场理论来描述，甚至我上面所做的改进的插图也没有完全描述它。但正确的是黑洞的面积(与其质量有关)与它的熵成正比。
Verlinde说：这是爱因斯坦理论的第一个裂缝，但不认为这是正确的。熵是可以在广义相对论的基础上推导出来的，但它并不意味着爱因斯坦的理论有任何问题。事实上从Verlinde的争论中认为暗物质是理论的第一个裂缝。在这个问题上我不同意，但至少我知道他是从哪里来的。

图片：Perimeter Institute

如果你用电脑里的qbits替换比特，就不会有0和1，因此在这两者之间的一切会有叠加。事实上可以将许多量子点相互纠缠，这就是为什么量子计算机为传统的“经典”计算机提供了更强大的可能性。

图片：Perimeter Institute

似乎暗示了纠缠的量子粒子或量子信息是产生暗物质的原因。随着宇宙的膨胀，纠缠的数量随着时间的推移而增加。那么这对暗物质密度(或者说它如何显现)的时间有何影响呢？目前没有答案，但我知道Verlinde的理论已经改变了……但至少现在我们终于得到了纠缠和暗物质之间的联系。

Verlinde问了一个大问题：量子纠缠/引力是否解释了牛顿定律在星系旋转中的偏离？这是对重力变化最简单的问题，但到目前为止的答案是“只有一瞬间”，如果我们看更远的距离和更大的回顾时间，就不会有同样的效果。
宇宙的熵是多少？从光子约10 ^ 90位，从宇宙的大小应该是10 ^ 120（把k的一个因素加入了），有趣的是我们可以计算出黑洞是占主导地位的因素。
宇宙的熵，量子纠缠，哈勃常数等等都与星系旋转的问题有关？特别是因为哈勃常数在空间中是一个“常数”，但随着时间的推移而改变。那么银河旋转是如何随着时间/红移而演化的呢？Verlinde没有答案，因为方程中的其它常数不会改变！

作者：Ethan Siegel （天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：卿君侧
审校：博科园

漫随

讲的挺好的