新的引力理論：引力並不是自然界中基本力

1781年，天文學家發現了第一顆超越土星的行星——天王星，這是第一顆不是用肉眼，而是用望遠鏡發現的行星。天王星的發現給了科學家一個很好的機會試驗當時最好的引力理論——牛頓引力。在經過超越60年對天王星的觀測，科學家發現：在起初的20年，天王星運動的速度要比引力定律預測的要快；在接下來的20年，它的運動速度又完全符合牛頓引力的定律；在剩下的時間，相較於理論預測，它運動的又太慢了。

△ 藍色軌道為冥王星，綠色為天王星，木星和土星分別為青色和橘色。（? Michael Richmond）

解釋這個困境有兩個可能的答案：要麼牛頓引力錯了，要麼在天王星附近有其它的物質存在施加了額外的引力。勒維耶和亞當斯分別獨立地預言了在天王星外應該存在著另一顆行星。1846年9月23日，伽勒宣布發現了冥王星，勒維耶的預言被證實了。這是牛頓引力的一場勝仗。

在另一方面，離太陽最近的行星——水星，不斷增加的觀測數據顯示出了水星的軌道以一種更加奇怪的方式違反著引力定律。根據開普勒定律，在沒有其它質量的干擾或影響下，行星應該以完美的橢圓軌道環繞著處於焦點中的太陽。但是，隨著時間的流逝，水星的橢圓軌道會偏移。在下圖中可以清楚的看到水星進動的現象，水星的軌道並非閉合的。

△ 紅色代表牛頓引力的預測橢圓軌道（閉合），藍色為愛因斯坦預測的水星橢圓軌道。（? Wikimedia Commons）

利用牛頓的引力定律，並且考慮所有能夠影響水星其它因素，包括所有已知行星以及地球的歲差。我們仍發現預言和觀測存在著偏差，也就是每世紀43秒的偏差。這次我們又該如何解釋？冥王星的發現讓天文學家開始設想，是否在水星和太陽之間有額外的行星存在？又或者這次的確是牛頓引力自身的問題？天文學家努力的尋找著一顆離太陽更近的一個全新的理論行星——祝融星。直到1915年，愛因斯坦提出了更加準確的引力理論——廣義相對論，才完美的解決了水星進動問題。

△ 廣義相對論被驗證的新聞。

然而，1970年代，薇拉·魯賓的研究工作發現了實際觀測的星系旋轉速度與原先理論的預測有所出入，單獨星系的自轉曲線遠在可見物質之外的距離上依然保持平坦（有著相同的速度）。星系邊緣的恆星運動速度太快，星系應該會分崩離析，然而並沒有發生這樣的事情。那麼，這次又是為什麼呢？同樣，我們有面臨著兩個選擇：要麼現有的引力理論需要修正，要麼我們必須假設有更多的看不見的質量的存在。

△ 星系自轉曲線圖。（? Stefania deluca）

星系自轉曲線是暗物質的最初證據，之後還有許多其它的宇宙觀測數據都更偏向暗物質理論。但是，相比這種神秘的粒子，還有一種選項可能知道的人比較少，那就是對引力做出修正。1981年，Moti Milgrom就提出了「修正牛頓引力理論」（MOND），他發現如果我們將牛頓引力中的加速度稍微改變一點點，我們就可以解釋這些星系的自轉曲線。這樣的修正可以解釋所有的星系自轉，從最小的到最大的。雖然MOND在星系自轉中表現的很成功，但它無法解釋星系在星系團中的運動等等許多問題。

因此在過去，暗物質的解決方案一直更受青睞。直到今年九月，我們在《新的宇宙自然規律，暗示暗物質並不存在？》中談論了一個最新的發現：普通物質和觀測到的加速度顯示出了一個很強的關聯。在那之後，一場戰爭就打響了。暗物質對戰修正引力模型，物理學家你來我往相繼發表論文表示自己的觀點，異常精彩。

到目前為止，不知道有沒有人想過另一種可能：如果引力並不是什麼基本相互作用，而是其它基本相互作用的突發現象？這樣的一種理論被稱為「誘導引力」（emergent gravity）。這就好比是溫度是由微觀粒子的運動引起的，引力的出現是由於儲存在時空結構中的基本信息單位發生了改變。Erik Verlinde，一位知名的弦理論物理學家，剛發表的這篇論文【文獻1】利用該理論對恆星繞銀心旋轉的速度（以及其他星系中的恆星）作出了精確的預測，直接否定了暗物質的存在。

誘導引力的想法並不是完全新的。在2010年的時候 Erik Verlinde就提出引力並不是自然界中的基本力【文獻2】，而是由宇宙中的熵引起的效應。熵是熱力學的一個性質。它通常被描述為一個系統的不穩定部分，雖然有時這樣的描述非常有用，但是更好的描述應該牽涉到一個系統包含的信息總量。一個有序的系統（大理石形成均勻分布的網格）很容易被描述，因為物體之間的關係更加簡單。另一方面，無序的系統（隨機散亂的大理石）就需要更多的信息來描述，因為並不存在一個簡單的模式。基本上，一個系統需要更多的信息來描述，就存在更多的熵。

Verlinde的模型是基於一個稱為全息原理的數學方法，將熱力學（熱、能量和力）和信息聯繫起來。由於一個空間區域所包含的信息取決於在該區域物體的排列，移動的物體會改變該區域的熵。Verlinde論證這會產生熵力，表現的跟引力一樣。根據基本的信息熵的概念，我們可以從中推導出愛因斯坦的廣義相對論方程。

【注】全息原理是由Verlinde的導師Gerard "t Hooft 和 Leonard Susskind提出的。根據全息原理，整個宇宙中的信息都可以由一個圍繞著它的巨大虛構球體描述。而Verlinde論證這個想法並不是很準確，宇宙中的部分信息其實是包含在空間自身的。

熵引力是一個有趣的想法，它可以解釋為什麼引力跟量子物理的統一是如此困難，但它自己本身也不是沒有任何問題的。首先，由於熵引力預言的引力行為跟廣義相對論完全一樣，因此並沒有任何實驗方法可以區分它是否是個更好的理論。模型本身也有理論問題。比如，當你想要描述一個閉合的系統，只有對系統的熵做出奇怪的限制才能跟實驗相符。

儘管理論還需要完善，這個想法本身卻值得探究，而且這篇新的論文中還解釋了暗物質。在最初的論文中，該模型專註在解釋標準引力上，特別是它排除了暗能量。而在這篇新論文中Verlinde意識到，由於一個包含暗能量的空間區域需要額外的信息來描述，因此把暗能量包含在模型中會改變區域空間的熵。Verlinde繼續解釋了這個信息如何製造了額外的熵力，就可以對暗物質的效應作出解釋，跟MOND類似。因此，引力、暗物質和暗能量通過熵被聯繫了起來。

雖然該理論提供了優美的解決方案，但也有自身的問題。無論該模型的結局如何，至少它將熱力學和引力聯繫在了一起，而這並不顯而易見。

參考文獻：

【1】E. P. Verlinde. Emergent Gravity and the Dark Universe. arXiv:1611.02269 (2016)

【2】E. P. Verlinde. On the Origin of Gravity and the Laws of Newton. arXiv:1001.0785 (2010)

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