暗物質(zhì)是否處于更深層的現(xiàn)實(shí)之中《環(huán)球科學(xué)》報(bào)道 理論物理學(xué)家埃里克·韋爾蘭德對宇宙暗物質(zhì)的新解引發(fā)轟動(dòng)。

兩年前，我和幾位《科學(xué)美國人》的同事在大約數(shù)周的時(shí)間內(nèi)保持著密切的郵件聯(lián)系，我們試圖弄清楚弦理論學(xué)家埃里克·韋爾蘭德（Erik Verlinde）的*論文到底在說些什么。我認(rèn)為我可以理解物理學(xué)家們對這篇論文的反應(yīng)。從數(shù)學(xué)角度看，它簡單地不能再簡單了，其中大部分是中學(xué)代數(shù)的水平；但從邏輯學(xué)和物理學(xué)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(diào)。我們?yōu)榇俗稍冞^一些理論物理學(xué)家，他們表示他們也無法理解這篇論文。要知道，這只是一種出于禮貌的說辭，其實(shí)他們是在說他們的這位同行已經(jīng)完全失去了理智。一些物理學(xué)家還曾發(fā)博文稱韋爾蘭德是一個(gè)瘋子。暗物質(zhì)是否處于更深層的現(xiàn)實(shí)之中

暗物質(zhì)是否處于更深層的現(xiàn)實(shí)之中那些認(rèn)識(shí)韋爾蘭德的人都知道，這個(gè)說法是極不合適的。暗物質(zhì)是否處于更深層的現(xiàn)實(shí)之中韋爾蘭德是一位才華橫溢的理論物理學(xué)家，他的論文引發(fā)眾多討論已經(jīng)表明了他的同事們都認(rèn)為此論文有其一定的價(jià)值。當(dāng)時(shí)，整個(gè)事件得到了《新科學(xué)家》（New Scientist）和《紐約時(shí)報(bào)》（New York Times）的報(bào)道，但是我們在《科學(xué)美國人》*終采取了觀望的態(tài)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(huì)上遇見了韋爾蘭德。他的同事對此的態(tài)度并沒有變化，但他對于自己*初的論文已多有不滿。雖然，他的所有研究都是采用弦理論學(xué)家的共同話語，并由此得出合乎邏輯的結(jié)論。但他的一位同事告訴我：“他將許多想法用有趣的方式結(jié)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(xué)家和其他統(tǒng)一論者都需要面對一個(gè)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(tǒng)一在一起，但是二者相互并不兼容，且二者都理論基礎(chǔ)牢固、久經(jīng)考驗(yàn)。如果非要協(xié)調(diào)二者，就必須放棄一些我們根深蒂固的直覺觀念。其中一個(gè)就是認(rèn)為世界是存在于時(shí)間和空間之中的。卡維利研討會(huì)的與會(huì)者都傾向于認(rèn)為時(shí)間和空間并不是根基，而是浮現(xiàn)的表象。假如將我們比作是處于大海之中漂流的小船，那么我們所看到的存在于時(shí)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游走。暗物質(zhì)是否處于更深層的現(xiàn)實(shí)之中

對此觀點(diǎn)，黑洞提供了*強(qiáng)有力的論證。由萬有引力定律我們可以預(yù)測黑洞遵守?zé)崃W(xué)定律。這一點(diǎn)是很奇怪的，因?yàn)闊崃W(xué)是描述復(fù)合系統(tǒng)的物理學(xué)分支，例如由分子組成的氣體。而黑洞明顯并不像是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，看起來僅僅是一個(gè)空間的扭曲而已。如果要說是復(fù)合系統(tǒng)的話，那就只能是空間自身。暗物質(zhì)是否處于更深層的現(xiàn)實(shí)之中

假如空間果真是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)的話，黑洞就代表著一種新的物質(zhì)形態(tài)。在黑洞之外，宇宙的“自由度”都處在低能態(tài)，低能態(tài)下具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以及規(guī)律的排列（你可以想象為晶體結(jié)構(gòu)來幫助理解低能態(tài)），我們將之看作時(shí)空的連續(xù)統(tǒng)一體。但在黑洞之中，由于極端的條件而使得連續(xù)統(tǒng)一性得到破壞。韋爾蘭德說：“在黑洞之中你可以使得時(shí)空消亡，這才是時(shí)空終結(jié)的地方。要理解其中究竟發(fā)生了什么，你需要使用一些更為基本的自由度（these underlying degrees of freedom）。”要理解這些自由度并不存在于某個(gè)地方，這些自由度超越于空間。自由度真正存在于一個(gè)極度抽象的可能性領(lǐng)域，用行話說就是：豐富得幾乎無法想象的可能狀態(tài)在“相空間”中都能找到與之對應(yīng)的點(diǎn)。

韋爾蘭德在2010年的那篇論文中將這一論證應(yīng)用于萬有引力定律。自牛頓以來幾乎所有的物理學(xué)家們都認(rèn)為引力是自然界中的一種基本力，但是韋爾蘭德卻不這么認(rèn)為，他認(rèn)為引力很可能是一種“熵力”。所謂熵力，是大型動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)物，類似于氣體中分子的集體運(yùn)動(dòng)所帶來的氣體壓力。在卡維利研討會(huì)上，韋爾蘭德進(jìn)一步闡述了這一觀點(diǎn)，他認(rèn)為將時(shí)空看作“浮現(xiàn)的表象”這一想法，正在改變我們對于宇宙的整體觀念?！叭绻阋庾R(shí)到存在著比我們設(shè)想的還要多得多的相空間，你就會(huì)改變對宇宙的看法?！?

*初，暗物質(zhì)使得我們一睹深層現(xiàn)實(shí)的神秘。為了解釋星系或者更大系統(tǒng)中存在著的異常運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，天文學(xué)家認(rèn)為在我們的宇宙中充滿著一種看不見的物質(zhì)，其與普通物質(zhì)的質(zhì)量之比為5:1。盡管從沒有直接探測到此種物質(zhì)，但這已為大多數(shù)人所認(rèn)可而成為主流觀點(diǎn)。僅僅在星系外圍才出現(xiàn)這樣的異動(dòng)。在那里的星體和氣體云旋轉(zhuǎn)速度比正常稍快，除此之外并沒有什么奇怪之處——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(xué)家和物理學(xué)家懷疑可能根本沒有暗物質(zhì)。如果你發(fā)現(xiàn)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(huì)想有一個(gè)800磅的大猩猩在你家的地板上。你并沒有看見它，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(shí)間后，這個(gè)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(dǎo)致天文學(xué)家推演出暗物質(zhì)的動(dòng)機(jī)或許都是錯(cuò)誤的。韋爾蘭德說：“我認(rèn)為暗物質(zhì)是另一種物理現(xiàn)象的標(biāo)志。”

對于暗物質(zhì)來說，有一種*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(zhì)存在的證據(jù)。他假設(shè)暗物質(zhì)并非某種新奇的粒子，而是某些基本的自由度的振動(dòng)，此振動(dòng)是由隨機(jī)熱波動(dòng)產(chǎn)生的。他以此假設(shè)推導(dǎo)出了MOND方程。這種熱波動(dòng)十分地平緩，只有在平均熱能較低的地方才會(huì)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(zhì)量比。韋爾蘭德說：“我開始將此看作為這個(gè)更為廣大的相空間的一個(gè)表現(xiàn)。”

正如宇宙學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）*近在博客中所寫道的，MOND理論中還有許多問題。我更傾向于贊同此理論，但有一個(gè)問題使我猶豫。MOND試圖用一個(gè)簡單的方程來解釋大范圍的銀河異動(dòng)。即便MOND沒有推翻物理學(xué)定律，但也已經(jīng)展現(xiàn)出暗物質(zhì)的簡單行為。暗物質(zhì)的所有復(fù)雜動(dòng)力學(xué)無論如何都會(huì)進(jìn)入一個(gè)非常規(guī)律的模式之下。暗物質(zhì)理論的構(gòu)建者告訴我，他們對此還沒有任何解釋。

韋爾蘭德對于傳統(tǒng)觀點(diǎn)的反駁不僅在于暗物質(zhì)，還包括宇宙學(xué)的其他理論。舉一個(gè)例子，他重新闡述了恒穩(wěn)態(tài)理論的基本原理，而絕大多數(shù)天文學(xué)家都認(rèn)為此理論在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)被否定。在他的理論模型中，所有物質(zhì)（包括普通物質(zhì)和暗物質(zhì)）都是由基本自由度的振動(dòng)所引起的，并且由此產(chǎn)生和消亡。事實(shí)上，相同的自由度還可以用于解釋暗能量。至此，這一理論已對宇宙內(nèi)所有現(xiàn)象做出了統(tǒng)一的解釋。他們之間的區(qū)別在于：普通物質(zhì)處于*表層，變化較快；暗物質(zhì)則相對緩慢，如同在深海之中強(qiáng)有力的流動(dòng)；而暗能量如海洋主體一般靜謐無聲。至于另一種*的宇宙理論——宇宙膨脹理論，韋爾蘭德并不以為然。

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(shí)際。但有一點(diǎn)是肯定的，韋爾蘭德認(rèn)識(shí)到了當(dāng)前宇宙學(xué)中的這些“烏云”就標(biāo)志著物理學(xué)一個(gè)新的時(shí)代。將暗物質(zhì)和暗能量理解為深層現(xiàn)實(shí)的標(biāo)志，而不是對現(xiàn)有理論的添加和補(bǔ)充，這一風(fēng)潮不僅出現(xiàn)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(xiàn)。假如韋爾蘭德是錯(cuò)誤的，時(shí)空的確是我們世界*根本的特征，又會(huì)有何種觀念要被拋棄呢？那些我們以往認(rèn)為是正確的觀念會(huì)不會(huì)是錯(cuò)誤的呢？

（相空間，是一個(gè)用以表示出一系統(tǒng)所有可能狀態(tài)的空間，系統(tǒng)中每個(gè)可能的狀態(tài)都有一相對應(yīng)的相空間的點(diǎn)。相空間是一個(gè)六維假想空間，其中動(dòng)量和空間各占三維?！g者注）

關(guān)于作者：喬治·穆瑟是《科學(xué)美國人》的*編輯。他主要研究空間科學(xué)，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(yè)生涯中獲得過許多獎(jiǎng)項(xiàng)，其中包括2011年美國物理研究所的科學(xué)寫作獎(jiǎng)。電纜故障測試儀轉(zhuǎn)載http:///