我们熟知的引力不是自然界中的基本力？

1781年，天文学家发现了第一颗超越土星的行星——天王星，这是第一颗不是用肉眼，而是用望远镜发现的行星。天王星的发现给了科学家一个很好的机会试验当时最好的引力理论——牛顿引力。在经过超越60年对天王星的观测，科学家发现：在起初的20年，天王星运动的速度要比引力定律预测的要快；在接下来的20年，它的运动速度又完全符合牛顿引力的定律；在剩下的时间，相较于理论预测，它运动的又太慢了。

△ 蓝色轨道为冥王星，绿色为天王星，木星和土星分别为青色和橘色。（© Michael Richmond）

解释这个困境有两个可能的答案：要么牛顿引力错了，要么在天王星附近有其它的物质存在施加了额外的引力。勒维耶和亚当斯分别独立地预言了在天王星外应该存在着另一颗行星。1846年9月23日，伽勒宣布发现了冥王星，勒维耶的预言被证实了。这是牛顿引力的一场胜仗。

在另一方面，离太阳最近的行星——水星，不断增加的观测数据显示出了水星的轨道以一种更加奇怪的方式违反着引力定律。根据开普勒定律，在没有其它质量的干扰或影响下，行星应该以完美的椭圆轨道环绕着处于焦点中的太阳。但是，随着时间的流逝，水星的椭圆轨道会偏移。在下图中可以清楚的看到水星进动的现象，水星的轨道并非闭合的。

△ 红色代表牛顿引力的预测椭圆轨道（闭合），蓝色为爱因斯坦预测的水星椭圆轨道。（© Wikimedia Commons）

利用牛顿的引力定律，并且考虑所有能够影响水星其它因素，包括所有已知行星以及地球的岁差。我们仍发现预言和观测存在着偏差，也就是每世纪43秒的偏差。这次我们又该如何解释？冥王星的发现让天文学家开始设想，是否在水星和太阳之间有额外的行星存在？又或者这次的确是牛顿引力自身的问题？天文学家努力的寻找着一颗离太阳更近的一个全新的理论行星——祝融星。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。

△ 广义相对论被验证的新闻。

然而，1970年代，薇拉·鲁宾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，单独星系的自转曲线远在可见物质之外的距离上依然保持平坦（有着相同的速度）。那么，这次又是为什么呢？同样，我们有面临着两个选择：要么现有的引力理论需要修正，要么我们必须假设有更多的看不见的质量的存在。

△ 星系自转曲线图。（© Stefania deluca）

星系自转曲线是暗物质的最初证据，之后还有许多其它的宇宙观测数据都更偏向暗物质理论。但是，相比这种神秘的粒子，还有一种选项可能知道的人比较少，那就是对引力做出修正。1981年，Moti Milgrom就提出了“修正牛顿引力理论”（MOND），他发现如果我们将牛顿引力中的加速度稍微改变一点点，我们就可以解释这些星系的自转曲线。这样的修正可以解释所有的星系自转，从最小的到最大的。虽然MOND在星系自转中表现的很成功，但它无法解释星系在星系团中的运动等等许多问题。

因此在过去，暗物质的解决方案一直更受青睐。直到今年九月，我们在《新的宇宙自然规律，暗物质遭遇挑战》中谈论了一个最新的发现：普通物质和观测到的加速度显示出了一个很强的关联。在那之后，一场战争就打响了。暗物质对战修正引力模型，物理学家你来我往相继发表论文表示自己的观点，异常精彩。（诶，突然意识到这么精彩的事情，为什么我没有写了发表在原理。）

到目前为止，不知道有没有人想过另一种可能：如果引力并不是什么基本相互作用，而是被其它基本相互作用诱导出来的现象？这样的一种理论被称为“诱导引力”（emergent gravity）。这就好比是温度是由微观粒子的运动引起的，引力的出现是由于储存在时空结构中的基本信息单位发生了改变。Erik Verlinde，一位知名的弦理论物理学家，刚发表的这篇论文【文献1】利用该理论对恒星绕银心旋转的速度（以及其他星系中的恒星）作出了精确的预测，而并不需要暗物质。

诱导引力的想法并不是完全新的。在2010年的时候 Erik Verlinde就提出引力并不是自然界中的基本力【文献2】，而是由宇宙中的熵引起的效应。熵是热力学的一个性质。它通常被描述为一个系统的不稳定部分，虽然有时这样的描述非常有用，但是更好的描述应该牵涉到一个系统包含的信息总量。一个有序的系统（大理石形成均匀分布的网格）很容易被描述，因为物体之间的关系更加简单。另一方面，无序的系统（随机散乱的大理石）就需要更多的信息来描述，因为并不存在一个简单的模式。基本上，一个系统需要更多的信息来描述，就存在更多的熵。

Verlinde的模型是基于一个称为全息原理的数学方法，将热力学（热、能量和力）和信息联系起来。由于一个空间区域所包含的信息取决于在该区域物体的排列，移动的物体会改变该区域的熵。Verlinde论证这会产生熵力，表现的跟引力一样。根据基本的信息熵的概念，我们可以从中推导出爱因斯坦的广义相对论方程。

【注】全息原理是由Verlinde的导师Gerard 't Hooft 和 Leonard Susskind提出的。根据全息原理，整个宇宙中的信息都可以由一个围绕着它的巨大虚构球体描述。而Verlinde论证这个想法并不是很准确，宇宙中的部分信息其实是包含在空间自身的。

熵引力是一个有趣的想法，它可以解释为什么引力跟量子物理的统一是如此困难，但它自己本身也不是没有任何问题的。首先，由于熵引力预言的引力行为跟广义相对论完全一样，因此并没有任何实验方法可以区分它是否是个更好的理论。模型本身也有理论问题。比如，当你想要描述一个闭合的系统，只有对系统的熵做出奇怪的限制才能跟实验相符。

尽管理论存在着问题，这个想法本身却值得探究，而且这篇新的论文中还解释了暗物质。在最初的论文中，该模型专注在解释标准引力上，特别它排除了暗能量。而在这篇新论文中Verlinde意识到，由于一个包含暗能量的空间区域需要额外的信息来描述，因此把暗能量包含在模型中会改变区域空间的熵。Verlinde继续解释了这个信息如何制造了额外的熵力，就可以对暗物质的效应作出解释，跟MOND类似。因此，引力、暗物质和暗能量通过熵被联系了起来。

虽然该理论提供了优美的解决方案，但也有自身的问题。无论该模型的结局如何，至少它将热力学和引力联系在了一起，而这并不显而易见。

参考文献：

【1】E. P. Verlinde. Emergent Gravity and the Dark Universe. arXiv:1611.02269 (2016)

【2】E. P. Verlinde. On the Origin of Gravity and the Laws of Newton.  arXiv:1001.0785 (2010)

▽ 点击文字查看更多文章 ▽

▼ 长按以下图片 → 识别二维码 → 关注原理 ▼