物理学家提出暗物质存在于更深层的现实之中

伤我心太深

理论物理学家埃里克·韦尔兰德对宇宙暗物质的新解引发轰动。
                        　　

图片由埃里克·韦尔兰德提供

    两年前，我和几位《科学美国人》的同事在大约数周的时间内保持着密切的邮件联系，我们试图弄清楚弦理论学家埃里克·韦尔兰德（Erik Verlinde）的最新论文到底在说些什么。我认为我可以理解物理学家们对这篇论文的反应。从数学角度看，它简单地不能再简单了，其中大部分是中学代数的水平；但从逻辑学和物理学角度看，它却能让人想破脑袋。我甚至无法判断它是高深莫测还是陈词滥调。我们为此咨询过一些理论物理学家，他们表示他们也无法理解这篇论文。要知道，这只是一种出于礼貌的说辞，其实他们是在说他们的这位同行已经完全失去了理智。一些物理学家还曾发博文称韦尔兰德是一个疯子。
    那些认识韦尔兰德的人都知道，这个说法是极不合适的。韦尔兰德是一位才华横溢的理论物理学家，他的论文引发众多讨论已经表明了他的同事们都认为此论文有其一定的价值。当时，整个事件得到了《新科学家》（New Scientist）和《纽约时报》（New York Times）的报道，但是我们在《科学美国人》最终采取了观望的态度。今年春天我在卡维利理论物理研究所（the Kavli Institute for Theoretical Physics）的研讨会上遇见了韦尔兰德。他的同事对此的态度并没有变化，但他对于自己最初的论文已多有不满。虽然，他的所有研究都是采用弦理论学家的共同话语，并由此得出合乎逻辑的结论。但他的一位同事告诉我：“他将许多想法用有趣的方式结合在一起，但是对我们来说解释起来有一些困难，所以我对此暂不评论。”
    弦理论学家和其他统一论者都需要面对一个基本问题。他们试图将量子场论和爱因斯坦的广义相对论统一在一起，但是二者相互并不兼容，且二者都理论基础牢固、久经考验。如果非要协调二者，就必须放弃一些我们根深蒂固的直觉观念。其中一个就是认为世界是存在于时间和空间之中的。卡维利研讨会的与会者都倾向于认为时间和空间并不是根基，而是浮现的表象。假如将我们比作是处于大海之中漂流的小船，那么我们所看到的存在于时空中的宇宙仅仅是海水的表面，而在大海之中还有未知的巨大怪兽在其深处游走。
    对此观点，黑洞提供了最强有力的论证。由万有引力定律我们可以预测黑洞遵守热力学定律。这一点是很奇怪的，因为热力学是描述复合系统的物理学分支，例如由分子组成的气体。而黑洞明显并不像是一个复合系统，看起来仅仅是一个空间的扭曲而已。如果要说是复合系统的话，那就只能是空间自身。
    假如空间果真是一个复合系统的话，黑洞就代表着一种新的物质形态。在黑洞之外，宇宙的“自由度”都处在低能态，低能态下具有稳定的结构以及规律的排列（你可以想象为晶体结构来帮助理解低能态），我们将之看作时空的连续统一体。但在黑洞之中，由于极端的条件而使得连续统一性得到破坏。韦尔兰德说：“在黑洞之中你可以使得时空消亡，这才是时空终结的地方。要理解其中究竟发生了什么，你需要使用一些更为基本的自由度（these underlying degrees of freedom）。”要理解这些自由度并不存在于某个地方，这些自由度超越于空间。自由度真正存在于一个极度抽象的可能性领域，用行话说就是：丰富得几乎无法想象的可能状态在“相空间”中都能找到与之对应的点。
    韦尔兰德在2010年的那篇论文中将这一论证应用于万有引力定律。自牛顿以来几乎所有的物理学家们都认为引力是自然界中的一种基本力，但是韦尔兰德却不这么认为，他认为引力很可能是一种“熵力”。所谓熵力，是大型动力学系统的产物，类似于气体中分子的集体运动所带来的气体压力。在卡维利研讨会上，韦尔兰德进一步阐述了这一观点，他认为将时空看作“浮现的表象”这一想法，正在改变我们对于宇宙的整体观念。“如果你意识到存在着比我们设想的还要多得多的相空间，你就会改变对宇宙的看法。”
    最初，暗物质使得我们一睹深层现实的神秘。为了解释星系或者更大系统中存在着的异常运动现象，天文学家认为在我们的宇宙中充满着一种看不见的物质，其与普通物质的质量之比为5:1。尽管从没有直接探测到此种物质，但这已为大多数人所认可而成为主流观点。仅仅在星系外围才出现这样的异动。在那里的星体和气体云旋转速度比正常稍快，除此之外并没有什么奇怪之处——就如同是可见星系的重力场被放大了一般。
    因此，一些天文学家和物理学家怀疑可能根本没有暗物质。如果你发现家的地板下陷了，好像有很重的东西压在上面一样，你可能会想有一个800磅的大猩猩在你家的地板上。你并没有看见它，所以你猜它一定是不可见的；你没有听到它，所以你猜它一定是无声的；你没有闻见它，所以你猜它一定是无味的。一段时间后，这个大猩猩的隐形开始变得难以置信，你觉得对此一定有其他解释——比如，这房子在下陷。与此情况类似，万有引力定律和导致天文学家推演出暗物质的动机或许都是错误的。韦尔兰德说：“我认为暗物质是另一种物理现象的标志。”
    对于暗物质来说，有一种领先的替代理论，即MOND理论，MOND是修正牛顿引力理论（Modified Newtonian Dynamics）的简称。韦尔兰德不仅将MOND重新诠释为是对物理定律的修正，而且将此理论作为大量深层物质存在的证据。他假设暗物质并非某种新奇的粒子，而是某些基本的自由度的振动，此振动是由随机热波动产生的。他以此假设推导出了MOND方程。这种热波动十分地平缓，只有在平均热能较低的地方才会比较显著，例如星系的外围。令人吃惊的是，韦尔兰德甚至推算出了5:1的质量比。韦尔兰德说：“我开始将此看作为这个更为广大的相空间的一个表现。”                        
    正如宇宙学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）最近在博客中所写道的，MOND理论中还有许多问题。我更倾向于赞同此理论，但有一个问题使我犹豫。MOND试图用一个简单的方程来解释大范围的银河异动。即便MOND没有推翻物理学定律，但也已经展现出暗物质的简单行为。暗物质的所有复杂动力学无论如何都会进入一个非常规律的模式之下。暗物质理论的构建者告诉我，他们对此还没有任何解释。
    韦尔兰德对于传统观点的反驳不仅在于暗物质，还包括宇宙学的其他理论。举一个例子，他重新阐述了恒稳态理论的基本原理，而绝大多数天文学家都认为此理论在上世纪60年代就已经被否定。在他的理论模型中，所有物质（包括普通物质和暗物质）都是由基本自由度的振动所引起的，并且由此产生和消亡。事实上，相同的自由度还可以用于解释暗能量。至此，这一理论已对宇宙内所有现象做出了统一的解释。他们之间的区别在于：普通物质处于最表层，变化较快；暗物质则相对缓慢，如同在深海之中强有力的流动；而暗能量如海洋主体一般静谧无声。至于另一种领先的宇宙理论——宇宙膨胀理论，韦尔兰德并不以为然。
    韦尔兰德所宣称理论越是宏伟壮丽，人们就越觉得其中太过不切实际。但有一点是肯定的，韦尔兰德认识到了当前宇宙学中的这些“乌云”就标志着物理学一个新的时代。将暗物质和暗能量理解为深层现实的标志，而不是对现有理论的添加和补充，这一风潮不仅出现在弦理论之中，在圈量子理论（loop quantum gravity）和因果集合论（causal set theory）中也有显现。假如韦尔兰德是错误的，时空的确是我们世界最根本的特征，又会有何种观念要被抛弃呢？那些我们以往认为是正确的观念会不会是错误的呢？

（相空间，是一个用以表示出一系统所有可能状态的空间，系统中每个可能的状态都有一相对应的相空间的点。相空间是一个六维假想空间，其中动量和空间各占三维。——译者注）