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引力简史:从万有引力到时空弯曲,再从熵力到量子泡入流

(2017-09-28 01:27:10)
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引力

熵力

量子引力

量子泡沫入流

内禀时空曲率

分类: 谈玄论道

引力简史:从万有引力到时空弯曲,再从熵力到量子泡入流


克劳林在《别样的宇宙》说道,目前所有物理定律皆非基本,实乃涌现之结果,包括光速和时空结构。涌现一词的潜在语境,即从流体中突然呈现出某种有序。我多年前就爱上了“流形”这个概念,曾认为宇宙万象(波、粒子、天体、星系、宇宙网,四大基本力,物理定律)皆涌现于真空流形,宇宙定律树源于元规律,而元规律源于无规律。老子曰:“道冲而用之,或不盈,渊兮似万物之宗湛兮似或存,吾不知谁之子,象帝之先。”


万有引力

1687年,牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中发表了万有引力定律,表述如下:

宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。Every particle in the universeattracts every other particle with force that is directly proportional to theproduct of their masses and inversely proportional to the square of thedistance between them.

牛顿认为,引力源于物体的质量。然而质量又是什么?


引力表现为时空弯曲

引力(Gravity),是指有质量的物体之间的相互吸引力,若物体不受阻挡,则导致物体加速靠近。物理学界有人受了相对论思想的洗礼,认为引力源于物体质量导致时空弯曲而形成的。而Gravitation,前人皆笼统地译为引力,但实际上当译为“引力化”为宜,即引力导致引力源周围时空结构作相应的变化。重力只是天体引力在其表面上的局域别名。

    引力在四种自然力(电磁力、弱力、强力)之中是最弱的,但在自然界中最普遍(牛顿力学中谓之万有引力),作用范围最广大。

经典物理学认为,引力是宇宙四大基本力之一,与质量乘积成正比、与距离平方成反比。在广义相对论中,引力不过是时空弯曲所产生的,又说质能(质能等价)产生引力。质量越大,时空曲率越大,引力越强。其实,时空弯曲只是引力的一种几何化表达,并未解决引力本源问题。换言之,引力不是时空弯曲形成的,而是引力表现为时空弯曲。

引力促使粒子聚集,导致天体演化,甚至形成“吞光”的黑洞。引力可导致光线弯曲,产生引力透镜效应。斥力(热学意义上)导致粒子散逸,宇宙膨胀,而引力导致万物聚集,宇宙收缩。二者相生相克,相互转化。



引力作为一种熵力

为了解决引力本质问题,荷兰弦理论家埃里克·韦尔兰德(ErikVerlinde)在2009年提出了“引力的熵力说”。引力即熵力(自由能F的导数),物体的质量或惯性也与熵有关。可用类似黑洞热力学的办法推导了爱因斯坦方程。也就是说,引力是熵力;加速度与熵的梯度有关,所以惯性是无熵梯度的表现,质量与bits数成正比;牛顿势是熵与bits数的比例。目前这一理论还处于初级阶段,但已引起了学界注意。


这一想法的起源可追溯到20世纪70年代中叶雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和史蒂芬·霍金对于黑洞热力学的研究。这些研究发现,引力与热力学基本定律间有着相当密切的联系。1995年,特德·雅克布森(TedJacobson)发现,通过黑洞熵公式与热力学第一定律能够推导出爱因斯坦场方程。随后,更多物理学家开始研究引力与熵之间的关系。

2009年,阿姆斯特丹大学的埃里克·韦尔兰德提出了一个全新的理论,认为引力就是一种熵力;或更一般的说,是绝热反作用力,微观上剧烈作用的叠加,将导致巨观相对上较为和缓的变化。这一理论通过杰拉德·特·胡夫特的全息原理将热力学与引力相结合。

根据韦尔兰德的推导,他得出的结果是引力不是一种基本力,而是一种宏观力,来源于熵力,本质上与弹力、压强等相同;而且,质量和惯性也是宏观现象。他认为,引力的现象是由于两个质量物体之间的全息表面熵(平均信息量)改变导致系统能量改变所引起的。他也通过统计物理与全息原理推导出了牛顿万有引力定律与爱因斯坦理论。根据他的理论,全息原理和量子力学才是基本原理,而爱因斯坦理论则是一种可推导出来的现象。

在其论文预印本发布到网上20多天内,就已经相继出现十几篇论文进一步讨论这一假想。其中,包括了这一理论在宇宙学、暗能量、膨胀宇宙、圈量子引力论等方面的探讨。另外还有相关的微观模型也已被提出。


韦尔兰德将引力定义为:小质量物体朝着大质量物体运动的倾向与热力学运动非常类似,这种效应可视为有一股净力将两个质量体拉到一起,物理学家把这种力量叫做熵力。在他看来,描述一个空间的初始系统不是这个空间以及存在于这个空间中的物体,而是包围这个空间的曲面。这个曲面上有一个微观系统,局部处于平衡态,所以曲面的每个局部都有一些自由度及相应的熵。当一个试验粒子在外部接近这个曲面时,曲面上的自由度受到这个试验粒子的影响而熵发生变化。当这个粒子完全融入曲面时,我们认为这个粒子本身也可由曲面上的自由度描述了。学过一些热力学或统计物理的人知道,当一个系统的能量增大时,熵通常也增大,所以粒子融入曲面后曲面上的熵增大了。通过能量守恒我们得知,熵增对应的熵力是吸引力,即粒子总被曲面包围的空间部分吸引。于是热力学的后果就是万有引力!他认为,牛顿的万有引力公式和爱因斯坦理论都可由统计物理加全息原理推导出来。


    在此想法出现后,有部分媒体对此进行了报道,也引起了理论物理学界的很高关注,有很多人向韦尔兰德表示祝贺。诺贝尔物理学奖得主杰拉德·特·胡夫特认为这一想法需要继续发展,同时称赞韦尔兰德关注真正的物理概念,而不是像其他弦理论家只讨论抽象的数学。阿姆斯特丹大学数学物理学家、荷兰皇家科学院院长罗贝特·捷格拉夫(Robbert Dijkgraaf)赞赏了这一理念,认为其“看上去很简单,但非常有说服力”。马萨诸塞州布兰迪斯大学研究广义相对论的物理学家斯坦利·德塞尔(Stanley Deser)也认为这是一个“爆炸性事件”,同时“会挑战牛顿、胡克、爱因斯坦制订的金科玉律”。

但也有物理学家表示怀疑与反对,其中包括捷克理论物理学家罗伯斯·莫特(LubosMotl)和哥伦比亚大学数学物理学家彼得·沃伊特(Peter Woit)。沃伊特认为这还是一种“很模糊的想法”。也有人认为韦尔兰德的论证只是一种循环论证而已。还有人则声称对此方法抛弃了数学而担忧。而韦尔兰德自己则认为,“目前这还算不上理论,只是一种新的范例和框架”,并认为“挑战现在才开始”。


引力作为量子泡沫湍式入流

    量子力学认为,引力是粒子间交换引力子导致的,引力子即引力量子在熵力说之前,就有人关于引力提出了“量子泡沫入流说”。雷吉纳德卡黑尔(2003)认为,过程物理学中的信息新理论将空间诠释为量子泡沫体系(quantumfoam system),其中的引力是进入物质的量子泡沫的非均匀流(inhomogeneous flow)。古典的牛顿理论和广义相对论分析了引力。这表明牛顿引力可能是按入流形式写出的。对于那些得到验证的情况,广义相对论也可分析理解为一种入流(in-flow)。

分析各种实验数据,证明相对于空间的绝对运动已被米谢森和莫雷(Michelsonand Morley)、弥勒尔(Miller)、伊令沃斯(Illingworth)、杰瑟嘉(Jaseja et al.)、托尔和科棱(Torr and Kolen)、德威特(DeWitte)观测到。在空间作为量子泡沫的这种新物理学中,米谢森干涉仪(Michelsoninterferometer)在介电模式中运行时,就显示出绝对运动效应,正如这种实验所指示那样,实验数据的分析显示观测到的速度完全符合宇宙微波背景(CMB)偶极拟合速度369km/s。本文将新物理学用于1887年米谢森-莫雷干涉仪旋转曲线数据,来证明干涉仪数据是与MB方向(α, δ) (11.20h,-7.220)也是完美一致的。该数据也揭示了经过地球、朝向太阳的量子泡沫入流所导致的速度分量为30±15km/s,而1933年弥勒尔干涉仪数据给出的结果是49km/s,可与理论值42km/s相比。这种观测到的入流是新物理学中的量子引力效应的表征。

德顿弥勒尔(Dayton Miller)和若兰德德威特(RolandDewitte)的数据也揭示了进入物质的空间入流,这表现为引力。实验数据说明,入流是湍流(turbulent)。这意味着可观测到引力波现象。

雷吉纳德提出的引力入流论通过了广义相对论曾通过的所有检验,但该新理论说明所谓的螺旋星系旋转速度异常可无需用暗物质(dark matter)来解释。雷吉纳德提出了新引力理论,通过了所有重要的现有检验,也看起来是可解释各种其它引力异常(这些异常所呈现的现象提供了进一步检验新引力物理学的机会)。牛顿引力看起来仅对球对称物质体系的外部是严格有效的。

    也就是说,这种新理论得到弥勒尔绝对运动实验(它发现了空间的湍式入流与引力有关)以及绝对运动本来存在的支持。这就清楚地驳斥了爱因斯坦关于相对论性效应(被洛伦兹和其他人发展起来)的再诠释的基本前提。实际上,这些实验与洛伦兹相对性是一致的,都真实显示出绝对运动效应和相对论性效应。绝对运动(absolute motion)实际上导致了这些相对论性效应(relativistic effect)。这些实验都反驳了广义相对论和牛顿理论,因为广义相对论是被构建以符合低速情况的。恒星的动力学结构需要按照这种新理论来重新检验,而这可能与中微子流问题有关系。


标准广义相对论发现了质能(mass-energy)与时空曲率之间的传统关系。但在新图像中被修正(至少在线性近似情况),这种内禀时空曲率的变化产生了质能。暗宇宙的各种问题,比如暗能量、暗物质和先锋异常(Pioneeranomaly),大致解释为纯曲率效应。对我们的物理世界中存在的内禀时空曲率的明确依据,可从自洽引力波天文学的实现中获得。

    奇瑞斯天科达(2011)采用真空涨落幅过程(它与残余引力波的原始产生有关),还探讨了早期宇宙内的质能和时空曲率的量子化。未来探测这种残余引力波,将是引力的数字(量子)的最终依据,而不是经典(类似物)特征。

    虽然爱因斯坦广义相对论实现了巨大的成功(比如,兰道建议广义相对论与量子场论一起,都是最好的科学理论),并且经受住了许多实验检验,但它也显露出许多短处和瑕疵,进而现在提出理论性问题:它是定义式引力理论the definitivetheory of gravity)。区别于其它场论,如电磁场论,广义相对论是很难量子化的。这个事实排除了处理引力的可能性,比如其它量子理论,而妨碍了引力与其它作用的统一。当前不可能实现统一引力与其它自然力的自洽量子引力理论。

    从历史观点看,爱因斯坦认为在理论统一之路上,量子力学必须服从于一种更普适的确定性理论,他称之为广义引力论GeneralizedTheory of Gravitation),但他没得到该理论的终极方程(可见派斯撰写的《爱因斯坦传》)。目前,这种观点被一些理论家们部分接受,从诺贝尔奖获得者霍夫特就开始了。

为了量子化引力,奇瑞斯天科达(2011)在扩展的引力理论的构架中,探讨我们宇宙中的内禀时空曲率intrinsic space-time curvature)的潜在性(potential presence),如曲率不由质能所致。他的量子化方程不是标准的广义相对论方程,而考虑了内禀时空曲率存在性,进而扩展了爱因斯坦方程。


 

因此,内禀时空曲率即量子泡曲率,内禀时空曲率变化即真空(易汰)湍流(绝对运动)导致的涨落引力子即真空(易汰)泡,量子引力即真空(易汰)湍式入流。量子力学是真空(易汰)泡膜的微观统计物理学,相对论是真空(易汰)流形的宏观流体力学。一句话,质量、能量、引力子、量子引力、引力波,皆为易汰流形之涌现而已!宇宙皆流,流形即道!


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