暗物质根本不存在?一个新的量子引力理论

作者: Natalie Wolchover

来源: 科研圈

发布日期: 2016-12-24

最近十几年理论物理的进展揭示了不仅所有基本粒子可以起源于形成空间的量子比特之间的量子纠缠,甚至空间本身的几何和由弯曲几何所引起的引力也可能起源于量子纠缠。Verlinde指出星系中恒星的反常运动,可能不是来源于暗物质,而是来源于修正的牛顿定律。也许根本就没有暗物质。天文观测暗示星系和其他宇宙结构被某种神秘的不可见力量所吸引。80年来,研究人员为此伤透了脑筋。为了解释观测到的现象,他们假设宇宙中存在“暗物质”,并且所占的比例(~23%)是可见物质(~4%)的五倍多!这或许意味着我们对宇宙知之甚少。

最近十几年理论物理的进展揭示了不仅所有基本粒子可以起源于形成空间的量子比特之间的量子纠缠,甚至空间本身的几何和由弯曲几何所引起的引力也可能起源于量子纠缠。一般量子体系的基态,其量子纠缠满足所谓的面积定律:也就是两个区域之间的量子纠缠,正比于这两个区域接触的面积。一些人相信,满足面积定律的量子纠缠可以导出满足牛顿定律的引力。如果我们的宇宙有暗能量,其量子纠缠还包括一项和体积成正比的贡献。

如果相信引力是起源于量子纠缠的话,最近Verlinde提出由暗能量所引起的和体积成正比的量子纠缠,会改变在超长距离上的牛顿定律。

Verlinde指出星系中恒星的反常运动,可能不是来源于暗物质,而是来源于修正的牛顿定律。也许根本就没有暗物质。天文观测暗示星系和其他宇宙结构被某种神秘的不可见力量所吸引。80年来,研究人员为此伤透了脑筋。为了解释观测到的现象,他们假设宇宙中存在“暗物质”,并且所占的比例(~23%)是可见物质(~4%)的五倍多!这或许意味着我们对宇宙知之甚少。

暗物质理论的前提条件是研究人员完全了解宇宙中物质的运动规律。但在2016年11月,一系列进展颠覆了人们的认知,“暗物质不存在论”死灰复燃。这种观点认为在宇宙的尺度上,牛顿和爱因斯坦预言的引力行为不再适用。通过修正引力理论,我们也不再需要所谓的暗物质。修正派的代表人物之一是阿姆斯特丹大学的理论物理学家Erik Verlinde,他以想法大胆、前卫(即便并不完美)而闻名。

11月7日,Verlinde将长达51页的论文贴到arXiv上,宣称引力是量子相互作用的副产品,原先认为由暗物质造成的引力效应其实源于普通物质和“暗能量”(时空的背景能量)的相互作用。他的最新尝试再次引起热议。爱因斯坦将引力定义为物质引起的时空弯曲效应。而Verlinde采用了一种时髦的观点:引力是种“诱导现象”(也译作“演生现象”)。时空和其中的物质只是全息图,它们背后是由量子比特构成的网络。

这就好比电脑游戏由硅片上的经典比特编码而成。在诱导引力的框架下,Verlinde认为暗能量源于量子比特的某种性质。在时空全息图的大尺度上,暗能量和普通物质相互作用,产生了存在“暗物质”的假象。通过计算,Verlinde重新得到了“修正牛顿动力学(modified Newtonian dynamics,MOND)”方程。

拥有30年历史的MOND在对经典的平方反比律(即牛顿定律及相对论)进行修正后,能够解释一些原本被认为由暗物质引起的现象。这个丑陋的“补丁”居然管用!长期以来,物理学家对此感到不可思议。而这回,Verlinde从更基本的层面解释了MOND成功的原因。星系轨道之谜暗物质和引力修正理论能够解释牛顿和爱因斯坦的理论都无能为力的星系轨道之谜。

在牛顿和爱因斯坦的理论中,引力遵循平方反比律:两个有质量物体间的引力与它们之间距离的平方成反比。这就意味着离星系中心越远的恒星受到的引力越弱,公转也越慢。在星系内部,情况的确如此,但当两者的距离达到某个临界值后,恒星的公转速度趋于平稳。Vera Rubin在上世纪七十年代首次发现星系旋转曲线“平坦化”,这被公认为暗物质存在的铁证:星系周围的暗物质“晕”对外围恒星施加了额外的引力,使公转速度增加。

大量实验致力于寻找暗物质粒子——主要候选者有弱相互作用大质量粒子(weakly interacting massive particle,WIMP)和稍轻一些的轴子——然而至今一无所获。与此同时,在上世纪七八十年代,包括Milgrom在内的一些研究人员另辟蹊径:对引力理论进行修正。

早期的很多尝试被轻易排除,但Milgrom发现了制胜之道:当恒星的向心加速度(受引力作用而产生)低于某个值时,引力不再遵循平方反比律,而是与距离近似成反比关系。这个临界值等于0.00000000012m/s2,相当于我们在地球表面感受到的重力加速度的千亿分之一。“引力修正理论中存在‘魔法’尺度,”McGaugh说道,“高于这个尺度时,一切都很正常;低于这个尺度时,引力的行为出现异常。

但现有理论无法解释这种突变如何产生。”新理论的旁证很多引力专家认为Verlinde的论文非常有趣,但不易理解。他的观点是否站得住脚还有待检验。凑巧的是,11月9日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文中,凯斯西储大学Stacy McGaugh带领的团队分析了来自153个不同种类的盘状星系的数据,他们的结果进一步巩固了MOND的地位。

McGaugh团队的研究人员比较了每个星盘内不同半径处向心加速度的计算值(可见物质给出的引力)和观测值(可见物质实际感受到的引力),发现这两个值密切相关。在MOND框架下,他们的结论可以得到完美解释:即便引力需要修正,可见物质仍是驱动星系旋转的引力的唯一来源,因此星系的旋转曲线与可见物质含量之间关系紧密。这时,暗物质的存在便显得多余了。正当暗物质的支持派奋起反击时,又一个挑战出现了。

由荷兰天文学家组成的一个研究团队对Verlinde的理论进行了首次检验。通过比较理论公式和来自三万多个星系的数据,莱顿大学的Margot Brouwer和她的同事发现,Verlinde准确地预言了来自星系的引力透镜效应(原先也以为是由暗物质引起的现象)。

他们已经在专业研讨会上做了相关报告,相关论文于12月12日发表于《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal astronomical Society)。这个结果倒是在大家的意料之中,因为提出MOND的先驱者,以色列天体物理学家Mordehai Milgrom早在几年前就证明了MOND与引力透镜的观测数据符合得很好。

Verlinde的新理论还需要在传统MOND失效的情况下对“由暗物质引起”的现象重新进行阐释。时空密码早在2010年,Verlinde就有了关于新MOND的最初想法。这个想法基于他数月之前发表的另一篇著名论文,其中他大胆宣称引力并不存在。综合物理学前沿的很多概念和猜想,他得出结论:引力是一种热力学诱导效应,与熵增(混乱度的增加)有关。和现在的情况类似的是,当时专家们觉得“熵力”难以理解。

不过那篇论文还是引起了许多讨论(引用超过500次)。虽然后来有人证明Verlinde论文中的熵力并不正确,但他的直觉非常敏锐。同样基于诱导效应的灵感,其他理论物理学家发展出了引力和时空的全息描述。现在,Verlinde将这种方法吸收到了新工作中。在全息框架下,弯曲时空和其中的一切都是量子信息的几何表示。换言之,数据存储在量子比特中。和经典比特不同,量子比特能够以不同的概率同时处于两个态(0和1)。

此外,量子比特之间能够相互纠缠。处于纠缠态的两个量子比特无论空间上离得多远,我们对其中一个进行测量,就能知道另一个的状态。如何将量子比特的纠缠模式“翻译”成与此相关的时空几何?物理学家已经开始研究其中的数学规则。例如,一列只与最近邻对象发生纠缠的量子比特代表了平直空间。更复杂的纠缠模式能产生诸如夸克、电子这样的物质粒子,粒子质量导致时空弯曲,因而产生引力。取代暗物质?

Verlinde的新工作可能走在时代前沿,也可能完全错误。这取决于他的理论能否重新解释传统MOND无能为力而暗物质理论却可以轻松解决的问题。其中一个问题和“子弹星团”有关。子弹星团是两个发生碰撞的星系团。碰撞过程中,可见物质彼此相撞,而引力透镜暗示大量暗物质(不与可见物质发生相互作用)像“隐形人”那样穿过碰撞带。有些物理学家认为这是暗物质存在的确凿证据。

但Verlinde表示他的理论能够很好地解释子弹星团的行为:暗能量的引力效应嵌入在时空中,与物质相比不易发生变形,这就使得星团碰撞过程中两者分离。然而,Verlinde的理论面对的最大挑战是解释宇宙微波背景(cosmic microwave background,CMB)中的“暗物质踪迹”。

CMB是来自宇宙婴儿期的古老光线,观测数据(角功率谱)中存在一系列峰谷,这揭示了当时物质系统反复由于引力收缩、又因为自相互作用(压强)膨胀的过程。而暗物质不发生相互作用,它们只收缩不膨胀,这会调节CMB峰的幅度。暗物质理论对CMB峰的预言与观测数据相符。而传统MOND遭受的致命打击之一就是无法解释CMB角功率谱中峰的幅度。

Verlinde希望他的新工作可以奏效——物质与暗能量的引力效应可以彼此分离,产生不同的行为。然而他尚未对此进行全面的计算。

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