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中加科学家发现“诱导引力”理论缺陷 拯救暗物质论于颠覆边缘

2018-08-15 11:28:32 来源: 前瞻网 作者:
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2016年,一位阿姆斯特丹大学的弦理论学家提出了关于引力的新理论,差点成了理论物理学天空上的一朵新“乌云”。幸好,2位分别来自中国、加拿大的物

暗物质

2016年,一位阿姆斯特丹大学的弦理论学家提出了关于引力的新理论,差点成了理论物理学天空上的一朵新“乌云”。幸好,2位分别来自中国、加拿大的物理学家,近期从他的理论中找到了小小的漏洞,将理论物理的研究方向,向正统轨道拨正了一些。

一直以来,引力和电磁力、强核力、弱核力一起,被公认为宇宙4大基本力。不少物理学家认为,这4种基本力的作用是一致的,因此,他们长期以来一直在寻找一种包罗万象的通用模型,或者叫“万物理论”,试图解释所有力的作用。

不过,其他3种力还好,引力却一直“桀骜不驯”。一开始, 牛顿开创的经典力学体系曾被认为是这个“万物理论”。然而人们在19世纪发现,离太阳最近的行星——水星轨道在不断偏离牛顿引力理论的计算结果。一开始,人们借助从天王星推断冥王星存在的经验,认为水星附近存在一颗新行星,也就是当时称作“祝融星”的理论行星,但一直未能证实。

直到1915年,爱因斯坦提出了更加准确的引力理论——广义相对论,才完美的解决了水星进动问题。然而,这人们欢呼雀跃的同时,一个 “小问题”,又逐渐成为新“万物理论”的颠覆力量。

20世纪70年代,薇拉·鲁宾(Vera Rubin)的研究工作发现了实际观测的星系旋转速度与原先理论的预测有所出入,星系边缘的恒星运动速度远超理论计算结果。按照过往的所有理论,在边缘这种速度下,星系团早就应该分崩离析,然而并没有。于是她将瑞士天文学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)于20世纪30年代提出的“暗物质”理论重新摆上台面,认为这种看不见的物质在将星系团聚拢在一起,而她也被尊称为“暗物质之母”。

此后,寻找暗物质成为引力探索的主流方向之一。无论是国际空间站上的新型观测仪器,还是埋在美国、意大利大山深处的实验室,各国多年耗费巨资,就是为了让这种“看不见的物质”显形。

不过,阿姆斯特丹大学教授、德尔塔理论物理研究所著名弦理论专家维林德(Erik Verlinde)在2016年发表的一篇论文,差点让各国的投入毁于一旦。他对引力的解释,走的是理论物理学界另外一条路,即修正引力模型。不过,他的修正比较夸张——他认为,引力并不是什么基本力。

从2010年开始,维林德就持有一种观点:引力不是自然的基本力,而是其他物质相互作用引发的现象。就像物体的温度来自于微观粒子的运动一样,引力来自于储存在时空结构中的基本信息,也就是熵的变化。

具体而言,他将引力称作一种“诱导现象”,时空和物质只是某种全息图像,它们背后是由量子比特构成的网络,就如同所有电脑游戏都是由硅片上的经典比特编码而成一样。在这个理论框架下,量子比特的某种“编码”构成了所谓的“暗能量”,“暗能量”作用的地方,被物理学家当作暗物质造成的引力。如果这种理论得到确证,那么物理学界就不再需要所谓的暗物质。

2016年,他在ArXiv上再度发表了一篇长达51页的论文,展示了他的重力理论如何准确地预测恒星围绕银河系中心旋转的速度,以及其他星系内恒星的运动。“我们已经获得了证据,这种新的引力理论与观测结果相符,” 维林德说。“从更宏观的尺度上看,引力似乎并不像爱因斯坦的理论所预测的那样。”

同年,一对荷兰天文学家也对维林德的理论进行了检验。他们在对照理论公式和3万多个星系的数据后发现,维林德准确预言了来自星系的引力透镜效应,而在此前,这种效应一直被认为是暗物质造成的。

幸好,在反暗物质派声势渐壮之际,来自吉林大学的王志伟和加拿大约克大学的布劳恩斯坦(Samuel L. Braunstein)在维林德的理论中发现了漏洞,延缓了其推翻暗物质理论的脚步。他们发现,维林德将热力学和引力联系在一起的理论确实可以解释不少东西,但是在某些情况下,全息图像上发生的事情,和热力学理论并不匹配。

在论文中,他们记录了二维时空表面的热力学行为,比如黑洞表面,以及其他物体和表面,包括最近的“诱导引力理论中一般物质的表面”。紧接着,他们继续测试,以确定这些表面物体是否符合热力学第一定律,遵循能量守恒和熵增原则。

结果显示,按照新理论,“虽然黑洞附近的表面(拉伸表面)确实遵守热力学第一定律,但其他普通表面却违背了定律。”王志伟博士向Phys.org表示,这个发现是对诱导引力理论的一记致命打击,虽然还未完全让其退出学术舞台,但显然,相关研究人员需要做更多研究。

“最新潮的理论现在被我们的研究工作推翻了,所以诱导引力的支持者们将会有新任务,以维持理论与观测结果的一致性。我们让他们落后了,但并没有将他们淘汰出局。”

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