神秘的暗物質(zhì)

任淇欽 賈佳昕 徐美飛

摘 要：暗物質(zhì)是一種物質(zhì)形式，它被認(rèn)為大約占據(jù)了宇宙物質(zhì)的85%并且是宇宙總能量密度的四分之一，大多數(shù)暗物質(zhì)被認(rèn)為是自然界中的非重子物質(zhì)，其可能是由一些尚未發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子組成。各種天體物理學(xué)的觀測(cè)暗示了它的存在。

關(guān)鍵詞： 暗物質(zhì);暗能量;相對(duì)論

愛因斯坦的廣義相對(duì)論剛剛誕生100多年，迄今為止，它很好地預(yù)測(cè)了天體與時(shí)空?qǐng)鲋g的相互作用。然而，在一些棘手的問題上，廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的結(jié)論并不一致。幾十年來，這些差距一直困擾著研究人員，并催生了一些試圖解釋這種不協(xié)調(diào)的假設(shè)。

暗物質(zhì)和暗能量是解決該問題的主要替代方法，但到目前為止，它們還僅僅是替代。有些物理學(xué)家不接受這類解釋。阿姆斯特丹大學(xué)（University of Amsterdam）的數(shù)學(xué)和信息學(xué)教授埃里克·韋林德（Erik Verlinde）就是其中之一。他提出了一種新的理論來為引力力學(xué)提供一種新的視角，從而觸動(dòng)了物理學(xué)世界的神經(jīng)。

2009年12月8日，他在一個(gè)專題論文會(huì)上介紹了他關(guān)于如何推導(dǎo)出牛頓經(jīng)典力學(xué)的新理論。之后，2010年1月6日他在網(wǎng)上發(fā)表了論文《引力的起源與牛頓定律》（On the Origin of Gravity and the Laws of Newton）。其中他給出了一個(gè)新的假說，認(rèn)為引力并非是一種基本力，而是對(duì)特定環(huán)境組成的一種反應(yīng)。與其說引力是基本力，不如說引力實(shí)際上可能是量子體位置的結(jié)果，類似于溫度是從單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)出的方式。

“愛因斯坦的理論可以看作是從更微觀的角度得出的，”Verlinde說?！拔覀兞私獾暮诙丛趷垡蛩固沟睦碚摽雌饋砀袷菬崃W(xué)定律，而我們所知道的熱力學(xué)定律是可以通過思考描述物質(zhì)的微觀成分而得到?！?/p>

Verlinde專注于量子相互作用來解釋廣義相對(duì)論和量子理論之間的不協(xié)調(diào)。他的理論離完成還有很長(zhǎng)一段路要走，但到目前為止，它還是站得住腳的，特別是他在反對(duì)暗物質(zhì)的觀點(diǎn)上提出了一些有力的論據(jù)。

慢慢的，物理學(xué)家們痛苦地意識(shí)到了這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)考慮到螺旋星系所包含的物質(zhì)的數(shù)量，以及因此而產(chǎn)生的引力時(shí)，螺旋星系的旋轉(zhuǎn)速度要比它們應(yīng)該的速度要快。當(dāng)前的理論認(rèn)為，恒星、行星、塵埃和其他物質(zhì)都應(yīng)該以其中一些物質(zhì)旋轉(zhuǎn)的速度被拋向太空。但正是因?yàn)樗鼈儾皇牵晕锢韺W(xué)家假設(shè)我們看不見或無法探測(cè)到的“暗物質(zhì)”造成了額外的引力，將這些星系聚集在一起。據(jù)說這種物質(zhì)占宇宙的25%，但是Verlinde相信可能有另一個(gè)答案可以解釋預(yù)期和觀測(cè)到的旋轉(zhuǎn)曲線之間的偏差。他說：“我們觀察到的是，我們看到的星系旋轉(zhuǎn)曲線的偏差，是通過觀察我們看到的物質(zhì)得出的，似乎總是在一個(gè)特定的加速度下發(fā)生?！?/p>

這個(gè)特定的加速度恰好在星系的距離和它遠(yuǎn)離我們的速度之間的關(guān)系中扮演著重要的角色，這是由宇宙的膨脹所決定的，被稱為哈勃定律。2017年，亞歷山大·查魯姆·埃爾貝澤（Alexandre Chaloum Elbeze）在《現(xiàn)代物理學(xué)雜志》（Journal of Modern Physics）上發(fā)表了一篇論文，概述了宇宙的膨脹率是如何通過一個(gè)新參數(shù)與天文學(xué)家測(cè)量的星系旋轉(zhuǎn)曲線聯(lián)系起來的。

他說：“這一事實(shí)多少暗示了它與宇宙的哈勃膨脹有關(guān)，目前這是由于暗能量的存在”。

哈勃常數(shù)描述了觀測(cè)到的宇宙加速膨脹。這種加速是無法解釋的，但它被歸因于“暗能量”，“暗能量”是一個(gè)可以用來解釋暗物質(zhì)的概念。

“暗能量是我的理論中相當(dāng)重要的一部分，”Verlinde說?！拔也粫?huì)廢除所有被稱為‘黑暗’的東西，我只是通過思考暗能量的影響來解釋我們現(xiàn)在所說的‘暗物質(zhì)’，而暗能量實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生同樣的效果?！?/p>

值得注意的是，Verlinde是作為弦理論學(xué)家，從一個(gè)特定的角度來處理暗物質(zhì)的問題，并努力將其納入這個(gè)角度。

Van Raamsdonk說：“這種可能性很有趣，但就我所知，它并不是建立在精確的數(shù)學(xué)模型上的?！毕喾?，他是在用自己的直覺拼湊出一套想法，并為事情如何運(yùn)作提供一個(gè)故事。

到目前為止，Verlinde堅(jiān)信的觀點(diǎn)已經(jīng)被證明在數(shù)學(xué)上和觀測(cè)上是正確的——至少在星系旋轉(zhuǎn)曲線上是正確的。真正的目標(biāo)將是建立一個(gè)描述星系旋轉(zhuǎn)之外的理論。法蘭克福高等研究所（Frankfurt Institute for Advanced Studies）的研究員薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）表示，描述早期宇宙的演化將是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

目前，包含粒子暗物質(zhì)的理論正確地預(yù)測(cè)了宇宙微波背景下觀測(cè)到的溫度變化。“不幸的是，Verlinde提出的引力模型不允許進(jìn)行必要的分析來證明其有效性，至少現(xiàn)在還不允許，”她在福布斯的一篇文章中寫道。

Verlinde意識(shí)到這個(gè)年輕理論的缺點(diǎn)，但他有信心在未來解決這些問題。

“我主要關(guān)注于試圖解釋這些旋轉(zhuǎn)曲線，但是暗物質(zhì)的概念已經(jīng)被用在試圖理解早期宇宙的許多其他方面，”Verlinde說?！拔冶仨毥忉屝窍凳侨绾涡纬傻?，以及我們?cè)谟钪嫖⒉ū尘爸锌吹降倪@些波動(dòng)。如果我想描述宇宙的演化，我下一步必須計(jì)算更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上正在發(fā)生的事情?！?/p>

在全世界推廣這個(gè)想法對(duì)Verlinde來說是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)?？紤]到這個(gè)想法是如此強(qiáng)烈地違背了大眾的信念，即使在他自己的隊(duì)友中，他也只有少數(shù)幾個(gè)盟友。

“我必須把我的想法賣給不同的聽眾，不僅是宇宙學(xué)家和用其他方式處理暗物質(zhì)的人，還有我的弦理論同事，”他說?！拔艺J(rèn)為，人們正慢慢開始看到我的推理邏輯的好處?！?/p>

“但我認(rèn)為這是一個(gè)比僅僅假設(shè)暗物質(zhì)存在更好的理論。因?yàn)槿绻滴镔|(zhì)有那么多種形式，人們可以想象它的存在，而且這些理論有一大堆，沒有人真正知道它是什么，也許所有這些都是錯(cuò)的?！?/p>

無論Verlinde的理論在追求理解的過程中如何發(fā)展，其結(jié)果都有一些令人興奮的前景。

“無論如何，試圖理解引力和量子糾纏之間的這些新聯(lián)系的意義是非常令人興奮的，我們中的許多人都在努力工作，以看到這將導(dǎo)致什么，”范·拉姆斯東克說?！凹词筕erlinde對(duì)暗物質(zhì)的具體解釋并不正確，我們已經(jīng)在學(xué)習(xí)關(guān)于引力和黑洞的新知識(shí)，我很樂觀，我們將會(huì)學(xué)到一些關(guān)于宇宙學(xué)、暗能量或大爆炸的令人興奮的東西?！?/p>

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