很难想象世界上还有什么比引力更基本更普遍,当你蹒跚学步,被尿布包着的屁屁一跤摔在地上时,你该意识到这是谁干的。
但如果引力不过是一种“幻觉”,一种“装腔作势”的结果,或者是一种源自于更深处真理的额外的“副作用”呢?
48岁的荷兰阿姆斯特丹大学物理学教授,著名弦论学家,埃里克·佛林德(ErikVerlinde)就是这样认为的。2010年年初,佛林德撰写了一篇题为《关于引力的起源和牛顿定律》的论文,阐述了用来描述热和气体行为的热力学定律如何导致了引力。佛林德的论文把引力看做一种看似存在,实际上并不真正存在的“幻觉”,这在理论物理学界引起了不小的震动。
“我认为引力并不存在”,佛林德解释说。这并不是说佛林德他不会因为引力的作用而摔跤,而是说物理学家们不该把引力看做一种基本相互作用。应该有更深层次的原因使得引力从中“出现”,就像有了无数微观的独立投资者才“出现”了宏观的股票市场,就像有了原子间的微观电磁相互作用才“出现”了宏观弹力(比如橡皮筋的弹性)。
佛林德的理论从某种程度上说有些像Dr.You的题目“为什么放在口袋里的耳机线很容易缠在一起?”。线并不是受到了“打结力”才相互缠绕、打结,而是因为“打结”的可能性比“不打结”的可能性更高。自然界偏好让可能性更高的事情发生。而引力可能就像“打结力”,其最终效果显而易见,原因却深藏在自然界对时空微观自由度中的众多可能性的偏好里。
“一些人认为佛林德不可能对,一些人认为佛林德是对的,但都是废话”,美国哈佛大学的著名弦论学家斯特罗明格评论道。“我们不得不承认,佛林德提出的这个观点引起了潮水般的热烈而有趣的讨论。它们触及这个宇宙中最深邃而难以理解的事物。所以,从这个意义上说,我很欣赏这个想法。”
详情请参见李淼老师的博客关于“熵力”的系列文章。例如:http://limiao.net/1404
为什么很多理论物理学家愿意相信这个未经证实的理论?
因为在自然界已知的四种基本相互作用(见《中微子为什么要震荡(上)》)中,只有引力难以被量子化、“微观化”。例如目前关于引力相互作用的实验研究只精确到毫米级。而其他相互作用早已被量子化,实验精度也在10^-15米以下。这让物理学家困惑不已。可以肯定的是,利用现有的方法,无法将引力量子化。于是,科学家们猜测,要么量子引力同其他相互作用一样来自于“弦论”、“M理论”等更加高深的理论,要么引力跟其他相互作用不同,只是宏观现象,不能简单的量子化。佛林德的理论属于后者,尽管类似的思想在弦论中也有体现。
还有一个直接的原因,就是自从发现黑洞存在霍金辐射、霍金温度、熵等热力学概念以来,理论物理学家们发现,一个自洽的理论中,引力,量子理论和热力学是“三位一体”的。我们知道热现象体现了系统存在不易观察的微观自由度,例如粒子的随机运动;因此,量子理论和热力学一起出现并不是奇怪的事情。然而一个引力的理论中总是伴随着热力学却是一件奇怪的事情,二者本该毫无联系。有很多证据表明,引力理论和热力学存在着等价性。例如,贾克布森从视界附近的热力学定律推导出了爱因斯坦场方程。因此,被量子引力搞得焦头烂额的物理学家们猜想,也许引力就像橡皮筋的弹力一样,是更基本的微观自由度的热力学的宏观体现。也就是说,引力的本源是热力学,引力是一种纯粹的宏观现象,当然不能简单的量子化了。佛林德给出了这样一个具体的理论,也就是假设时空中存在微观的基本自由度,满足全息原理(量子理论);又假设能量均分在这些自由度中(热力学中的能量均分定理);在这个基础上,加上一些数学背景,就可以给出牛顿第二定律、万有引力甚至爱因斯坦方程。这个想法是如此诱人,以至于即使没有实验证据支持,物理学家们也愿意相信这个想法的正确性。
(Sheldon)
我是谁?我在哪?如果连地心引力如果都是幻觉,我还能相信什么?看到资讯里什么“M理论”呀、“弦论”呀的就更头大了。不妨来听听松鼠Sheldon的讲解吧!不管“冬虫夏草”能不能拯救物理学,至少把我的脑袋从要爆炸的边缘拯救了回来。
引力,量子理论和热力学的关系也许就像一株“冬虫夏草”。它冬天是只虫,夏天是株草;究竟是虫还是草?其实是霉菌把虫儿咬。现在科学界已经能够描述”冬虫夏草“的生活史,它实际上是霉菌以蝠蛾幼虫为食,长出的像草一样僵化的菌孢。
设想你穿越到了1000年前的青藏高原,当时还没有显微镜。你告诉那里的医生,“冬虫夏草”其实是肉眼看不见的霉菌,医生们会表示赞同吗?
佛林德似乎就是想扮演这样一个“穿越者”的角色。在他的“熵力”理论中,时空中微小的用现有仪器探测不到的无数自由度就是那只虫儿,万有引力就是长出了地表人人都看得见的草儿,而“时空虫引力草”的本质却是热力学。就像1000年前的人们看不到霉菌一样,现在的科学家也探测不到时空微观自由度之上的热力学。因此,佛林德的理论从目前的实验条件来讲是无法证伪的。
然而它至少为理论研究指明了一个方向:如果硬要用研究基本相互作用的方法研究引力,也许就像硬要用研究草的方法研究“冬虫夏草”一样,得不到合乎逻辑的结果。此时,我们也许应该换一种思路,如果引力不是力,就像“冬虫夏草”不是草呢?说不定引力的研究从此就豁然开朗了!
Sheldon最后还特别叮嘱一定要强调一句:“理论物理学家就是这样,在定论出现之前不放过任何一种可能性。”其实岂止物理学家,科学家都这范儿!