緊急引力將重寫歷史？

什么是緊急引力，它將重寫物理？-這個觀念很新穎并且需要很多假設(shè)來驗證。經(jīng)過多年，試驗結(jié)果得以驗證。

什么是緊急引力，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的NIRCam（近紅外相機）儀器的完整視圖揭示了銀河系密集中心的50光年寬的部分。估計有50萬顆恒星在這張射手座C(Sar,C)區(qū)域的圖像中閃耀，以及一些尚未確定的特征。（圖片來源：NASA,ESA,CSA,STScl,Samuel Crowe(UVA）))

2009年，理論物理學(xué)家Erik Verlinde提出了對引力的徹底改造。在他的理論中，重力不是一種基本力，而是更深層次的隱藏過程的表現(xiàn)。但在此后的15年里，這個想法并沒有太多實驗支持。那我們接下來去哪里？出現(xiàn)在整個物理學(xué)中都是常見的。例如，溫度的性質(zhì)不是氣體的固有性質(zhì)。相反，它是無數(shù)微觀碰撞的結(jié)果。

我們有工具將這些微觀碰撞與溫度相匹配；事實上，物理學(xué)中有一個完整的分支，稱為統(tǒng)計力學(xué)，它使這些聯(lián)系為人所知。在其他領(lǐng)域，微觀行為和突現(xiàn)性質(zhì)之間的聯(lián)系并不那么清晰。例如，雖然我們了解超導(dǎo)背后的簡單機制，但我們不知道微觀相互作用如何導(dǎo)致高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)。Verlinde的理論是基于斯蒂芬·霍金和雅各布·貝肯斯坦在20世紀70年代觀察到的：黑洞的許多屬性可以用熱力學(xué)定律來表達。然而，熱力學(xué)定律本身是從微觀過程中產(chǎn)生的。對Verlinde來說，這不僅僅是一個巧合，而且表明我們所感知的重力可能來自于更深層次的物理過程。

2009年，他發(fā)表了他的理論的第一個版本。至關(guān)重要的是，我們不需要知道這些更深層次的過程是什么，因為我們已經(jīng)有了描述緊急性質(zhì)的工具包——統(tǒng)計力學(xué)。因此，Verlinde將這些技術(shù)應(yīng)用于重力，并得出了重力的替代公式。因為重力也與我們的運動、慣性、空間和時間概念有關(guān)，這意味著我們的整個宇宙也是從這些相同的更深過程中出現(xiàn)的。起初，這并沒有多少結(jié)果；重寫已知的物理定律，雖然有趣，但并不一定能提供更深入的見解。

但在2016年，Verlinde擴展了他的理論，發(fā)現(xiàn)包含暗能量的宇宙自然會導(dǎo)致空間的新出現(xiàn)屬性，從而允許它在低密度區(qū)域向內(nèi)推進。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一陣興奮，因為它為暗物質(zhì)提供了另一種解釋。目前，天文學(xué)家認為暗物質(zhì)是一種神秘的、看不見的物質(zhì)，構(gòu)成了每個星系的大部分質(zhì)量。雖然假說已經(jīng)能夠解釋大量的觀測結(jié)果，從星系內(nèi)恒星的旋轉(zhuǎn)速率到宇宙中最大結(jié)構(gòu)的演化，但我們還沒有確定神秘的粒子。

在Verlinde關(guān)于涌現(xiàn)的引力的圖片中，一旦你進入低密度區(qū)域-基本上，太陽系以外的任何東西-引力的行為與我們從愛因斯坦的廣義相對論中所期望的不同。在大尺度上，對空間本身有一種自然的向內(nèi)拉動，這迫使物質(zhì)比其他情況下更緊密地聚集在一起。這個想法令人興奮，因為它讓天文學(xué)家找到了一種方法來測試這個新理論。觀測者可以將這種新的引力理論應(yīng)用于星系結(jié)構(gòu)和演化模型中，以發(fā)現(xiàn)它與暗物質(zhì)模型之間的差異。

然而，多年來，實驗結(jié)果喜憂參半。一些早期的測試在恒星的自轉(zhuǎn)速率方面支持出現(xiàn)引力而不是暗物質(zhì)。但最近的觀察沒有發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢。暗物質(zhì)也可以解釋比星系旋轉(zhuǎn)速率更多的東西；星系團內(nèi)的測試發(fā)現(xiàn)，涌現(xiàn)的引力即將到來。-暗物質(zhì)引力本身的起源？為什么引力如此微弱？答案可能就在時空的本質(zhì)中“量子引力”最終可以幫助將量子力學(xué)與廣義相對論結(jié)合起來這不是緊急引力的終結(jié)。

這個想法仍然很新，需要在計算中進行大量假設(shè)才能使其工作。如果沒有一個完全實現(xiàn)的理論，很難說它對星系和星系團行為的預(yù)測是否準確地代表了突然出現(xiàn)的引力會告訴我們什么。天文學(xué)家仍在嘗試開發(fā)更嚴格的測試，比如使用來自宇宙微波背景的數(shù)據(jù)，以真正驗證該理論。緊急引力仍然是一個有趣的想法。如果它是正確的，我們將不得不從根本上重塑我們對自然世界的理解，并通過更深層次、更復(fù)雜的相互作用的鏡頭看到重力和運動，甚至更基本概念，如時間和空間。但就目前而言，這仍然只是一個有趣的想法。只有時間和廣泛的觀察測試才能告訴我們我們是否在正確的軌道上。

By：Paul Sutter

FY: 何丹懷

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