暗物質處於深層現實中？時空觀念或將被拋棄

圖片由埃里克·韋爾蘭德提供兩年前，我和幾位《科學美國人》的同事在大約數周的時間內保持著密切的郵件聯繫，我們試圖弄清楚弦理論學家埃里克·韋爾蘭德（Erik Verlinde）的最新論文到底在說些什麼。我認為我可以理解物理學家們對這篇論文的反應。從數學角度看，它簡單地不能再簡單了，其中大部分是中學代數的水平；但從邏輯學和物理學角度看，它卻能讓人想破腦袋。我甚至無法判斷它是高深莫測還是陳詞濫調。我們為此諮詢過一些理論物理學家，他們表示他們也無法理解這篇論文。要知道，這只是一種出於禮貌的說辭，其實他們是在說他們的這位同行已經完全失去了理智。一些物理學家還曾發博文稱韋爾蘭德是一個瘋子。那些認識韋爾蘭德的人都知道，這個說法是極不合適的。韋爾蘭德是一位才華橫溢的理論物理學家，他的論文引發眾多討論已經表明了他的同事們都認為此論文有其一定的價值。當時，整個事件得到了《新科學家》（New Scientist）和《紐約時報》（New York Times）的報道，但是我們在《科學美國人》最終採取了觀望的態度。今年春天我在卡維利理論物理研究所（the Kavli Institute for Theoretical Physics）的研討會上遇見了韋爾蘭德。他的同事對此的態度並沒有變化，但他對於自己最初的論文已多有不滿。雖然，他的所有研究都是採用弦理論學家的共同話語，並由此得出合乎邏輯的結論。但他的一位同事告訴我：「他將許多想法用有趣的方式結合在一起，但是對我們來說解釋起來有一些困難，所以我對此暫不評論。」弦理論學家和其他統一論者都需要面對一個基本問題。他們試圖將量子場論和愛因斯坦的廣義相對論統一在一起，但是二者相互並不兼容，且二者都理論基礎牢固、久經考驗。如果非要協調二者，就必須放棄一些我們根深蒂固的直覺觀念。其中一個就是認為世界是存在於時間和空間之中的。卡維利研討會的與會者都傾向於認為時間和空間並不是根基，而是浮現的表象。假如將我們比作是處於大海之中漂流的小船，那麼我們所看到的存在於時空中的宇宙僅僅是海水的表面，而在大海之中還有未知的巨大怪獸在其深處遊走。對此觀點，黑洞提供了最強有力的論證。由萬有引力定律我們可以預測黑洞遵守熱力學定律。這一點是很奇怪的，因為熱力學是描述複合系統的物理學分支，例如由分子組成的氣體。而黑洞明顯並不像是一個複合系統，看起來僅僅是一個空間的扭曲而已。如果要說是複合系統的話，那就只能是空間自身。假如空間果真是一個複合系統的話，黑洞就代表著一種新的物質形態。在黑洞之外，宇宙的「自由度」都處在低能態，低能態下具有穩定的結構以及規律的排列（你可以想像為晶體結構來幫助理解低能態），我們將之看作時空的連續統一體。但在黑洞之中，由於極端的條件而使得連續統一性得到破壞。韋爾蘭德說：「在黑洞之中你可以使得時空消亡，這才是時空終結的地方。要理解其中究竟發生了什麼，你需要使用一些更為基本的自由度（these underlying degrees of freedom）。」要理解這些自由度並不存在於某個地方，這些自由度超越於空間。自由度真正存在於一個極度抽象的可能性領域，用行話說就是：豐富得幾乎無法想像的可能狀態在「相空間」中都能找到與之對應的點。韋爾蘭德在2010年的那篇論文中將這一論證應用於萬有引力定律。自牛頓以來幾乎所有的物理學家們都認為引力是自然界中的一種基本力，但是韋爾蘭德卻不這麼認為，他認為引力很可能是一種「熵力」。所謂熵力，是大型動力學系統的產物，類似於氣體中分子的集體運動所帶來的氣體壓力。在卡維利研討會上，韋爾蘭德進一步闡述了這一觀點，他認為將時空看作「浮現的表象」這一想法，正在改變我們對於宇宙的整體觀念。「如果你意識到存在著比我們設想的還要多得多的相空間，你就會改變對宇宙的看法。」最初，暗物質使得我們一睹深層現實的神秘。為了解釋星系或者更大系統中存在著的異常運動現象，天文學家認為在我們的宇宙中充滿著一種看不見的物質，其與普通物質的質量之比為5:1。儘管從沒有直接探測到此種物質，但這已為大多數人所認可而成為主流觀點。僅僅在星系外圍才出現這樣的異動。在那裡的星體和氣體雲旋轉速度比正常稍快，除此之外並沒有什麼奇怪之處——就如同是可見星系的重力場被放大了一般。因此，一些天文學家和物理學家懷疑可能根本沒有暗物質。如果你發現家的地板下陷了，好像有很重的東西壓在上面一樣，你可能會想有一個800磅的大猩猩在你家的地板上。你並沒有看見它，所以你猜它一定是不可見的；你沒有聽到它，所以你猜它一定是無聲的；你沒有聞見它，所以你猜它一定是無味的。一段時間後，這個大猩猩的隱形開始變得難以置信，你覺得對此一定有其他解釋——比如，這房子在下陷。與此情況類似，萬有引力定律和導致天文學家推演出暗物質的動機或許都是錯誤的。韋爾蘭德說：「我認為暗物質是另一種物理現象的標誌。」對於暗物質來說，有一種領先的替代理論，即MOND理論，MOND是修正牛頓引力理論（Modified Newtonian Dynamics）的簡稱。韋爾蘭德不僅將MOND重新詮釋為是對物理定律的修正，而且將此理論作為大量深層物質存在的證據。他假設暗物質並非某種新奇的粒子，而是某些基本的自由度的振動，此振動是由隨機熱波動產生的。他以此假設推導出了MOND方程。這種熱波動十分地平緩，只有在平均熱能較低的地方才會比較顯著，例如星系的外圍。令人吃驚的是，韋爾蘭德甚至推算出了5:1的質量比。韋爾蘭德說：「我開始將此看作為這個更為廣大的相空間的一個表現。」正如宇宙學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）最近在博客中所寫道的，MOND理論中還有許多問題。我更傾向於贊同此理論，但有一個問題使我猶豫。MOND試圖用一個簡單的方程來解釋大範圍的銀河異動。即便MOND沒有推翻物理學定律，但也已經展現出暗物質的簡單行為。暗物質的所有複雜動力學無論如何都會進入一個非常規律的模式之下。暗物質理論的構建者告訴我，他們對此還沒有任何解釋。韋爾蘭德對於傳統觀點的反駁不僅在於暗物質，還包括宇宙學的其他理論。舉一個例子，他重新闡述了恆穩態理論的基本原理，而絕大多數天文學家都認為此理論在上世紀60年代就已經被否定。在他的理論模型中，所有物質（包括普通物質和暗物質）都是由基本自由度的振動所引起的，並且由此產生和消亡。事實上，相同的自由度還可以用於解釋暗能量。至此，這一理論已對宇宙內所有現象做出了統一的解釋。他們之間的區別在於：普通物質處於最表層，變化較快；暗物質則相對緩慢，如同在深海之中強有力的流動；而暗能量如海洋主體一般靜謐無聲。至於另一種領先的宇宙理論——宇宙膨脹理論，韋爾蘭德並不以為然。韋爾蘭德所宣稱理論越是宏偉壯麗，人們就越覺得其中太過不切實際。但有一點是肯定的，韋爾蘭德認識到了當前宇宙學中的這些「烏雲」就標誌著物理學一個新的時代。將暗物質和暗能量理解為深層現實的標誌，而不是對現有理論的添加和補充，這一風潮不僅出現在弦理論之中，在圈量子理論（loop quantum gravity）和因果集合論（causal set theory）中也有顯現。假如韋爾蘭德是錯誤的，時空的確是我們世界最根本的特徵，又會有何種觀念要被拋棄呢？那些我們以往認為是正確的觀念會不會是錯誤的呢？（相空間，是一個用以表示出一系統所有可能狀態的空間，系統中每個可能的狀態都有一相對應的相空間的點。相空間是一個六維假想空間，其中動量和空間各佔三維。——譯者注）關於作者：喬治·穆瑟是《科學美國人》的資深編輯。他主要研究空間科學，包括從粒子到行星，再到平行宇宙。他還是《弦理論的傻瓜指南》（The Complete Idiot"s Guide to String Theory）的作者。穆瑟在他的職業生涯中獲得過許多獎項，其中包括2011年美國物理研究所的科學寫作獎
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