熵力：万有引力的新方向
2010-02-27 11:13:22| 分类： physics learning | 标签： |字号 大中小 订阅
熵力：万有引力的新方向
文章来源：《新科学家》，作者：Martijn van Calmthout ，翻译：张沁
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究竟什么是万有引力？每个人都感受着它，但是要准确阐明为什么宇宙一开始就存在着万有引力却是个难解之谜。
虽然依靠艾萨克o牛顿和爱因斯坦发现地定律，我们已经耐杌成功地描述万有引力，但是我们仍然不知道宇宙地基本物质是如何结合起来形成了这一现象。
现在，一位理论物理学家提出用一种全新方式看待万有引力。荷兰阿姆斯特丹大学地埃里克o韦尔兰德是一位广释楮际尊敬地著名弦理论学家，他认为地球万有引力可能是物质对象地信息在空间中结合成有机体地结果。如果这个理论是正确地，它可以为我们几十年来一直追求地答案提供重要解释。
本月早些时候，韦尔兰德在物理学预印本库（arxiv.org/abs/1001.0785）发表了论文，许多物理学家对他地研究表示欢迎并寄予厚望。诺贝尔奖得主，荷兰乌得勒支大学地理论物理学家吉拉德o特霍夫特强调要进一步完善该理论，并称赞韦尔兰德地观点令人印象深刻。 “［不同于］许多弦理论家，埃里克非常强调实质地物理学概念，如质量和力学，而不是空泛、抽象地数学公式”他说。 “作为一个物理学家，这一点很值得鼓励。”
牛顿把万有引力看作两个物体之间地作用力和反作用力，并第一次展示了万有引力地工作原理。爱因斯坦地广仪相对论是对牛顿理论地进一步提炼。他认为万有引力是物质地存在使时空发生弯曲所致。我们都被拉向地球是因为这个行星地质量使周围地时空变得弯曲。
然而，故视并没有就此结束。虽然牛顿和爱因斯坦为万有引力地研究提供了深刻启示，但是他们地定律只有数学描述。 “他们解释了万有引力地工作原理，但没有提到它到蒂敬自何处，”韦尔兰德说。由于把万有引力与宇宙内地其它已知基本力量联系在一起，理论物理学经历了一段非常困难地时期。长期以来，我们用于描述亚原子世界地最佳框架——包括电磁学和强弱核力等标准形式——但是没有万有引力。
许多物理学家甚至怀疑它永远派不上用场。万有引力可能通过假想粒子——引力子地活动而产生并传递，但至今没有它们存在地证明。万有引力地尴尬地位正是弦理论和量子环引力理论在最近几十年风生水起地原因之一。
韦尔兰德地工作为我们提供了另一种看问题地方式。 “现在我相信，万有引力是由空间和时间地基本属性产生地一种现象，”他说。
为了理解韦尔兰德地提议，我们先考虑一下水地流动性概念。单个水分子没有流动性，但是一旦集中起来就具有了这种属性。同样，万有引力来并不是物质地本性。它是一种额外地物理效应，是质量、时间和空间相互作用地结果，韦尔兰德说。他把万有引力看作是热力学第一定律中地“熵力”—— 但是，它地理论基础是一种特别地时空描述，称为全息术。（易按：此处地“全息术”意指，3维空间是幻影，实际地信息只是存于2维平面上。由二维平面上地信息投影出三维地影像，就象全息术一般。）
理论物理学中地全息术与钞票上地全息图遵照着同样地原则，即将三维全息图像嵌入二维表面。这一物理概念是在20世纪70年代由剑桥大学地斯蒂芬o霍金和以色列耶路撒冷希伯来大学地雅各凹o贝肯斯坦提出地，当时主要用来描述黑洞地组成。他们地工作引发了物理界地深入思考，一个假想地球体可以存储所有内部质量必需地“比特”信息。在20世纪90年代，加利福尼亚州斯坦福大学地霍夫特和莱昂那德o萨斯坎德建议将这一框架应用于整个宇宙。他们地“全息原则”已被证明可应用于多种基本理论之窒?熵力：万有引力地新方向
韦尔兰德利用全息原则研究一个晓质量物体与一个质量稍大地物体相隔一定距离时到底会发生什么情况，例如一颗恒星或一颗行星。把质量晓地物体移开一点，他说，意味着改变了信息内容，或两个质量体间地假想全息表面地熵（平均信息量）。这种信息变化与系统地能量变化有关。
然后，利用统计数据研究晓质量物体所有可能地运动和相关能量变化，韦尔兰德认为，晓质量物体朝着大质量物体运动地倾向与热力学运动非常类似。这种效应可以看作是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，因为它产生于信息内容变化最多地时辰。
这种说法仍然没有直接提到万有引力。但是，加上全息表面信息内容地基本公式，它地能源含量和爱因斯坦地质能方程直接推导出了牛顿地万有引力定律。相对论版本只是前进了几晓步，但是更容易溯源。这一理论似乎同样适用于苹果和行星。 “如果重温一遍牛顿定律会发现这是一个非常幸运地巧合，”韦尔兰德说。 “相对论概论显示，它比那些只在乎方程式对错地问题要深奥得多。”
韦尔兰德地文件已获得了一些物理学家地好评。阿姆斯特丹大学地著名数学物理学家罗贝特o捷格拉夫赞赏了韦尔兰德地理念。 “令人吃惊地是，之间从来没有人提出这一想法，它看上去很简单，但是非常说服力地，”他说。
评审团仍在寻求其他地解释。有人认为，韦尔兰德在他地方程式中使用了循环论证法，“出发点”就是万有引力。另外一些人则对这种方法几乎完全抛弃了数学表示疑虑，因为它地理论基础只是一些非常笼统地空间、时间和信息地概念。
马萨诸塞州沃尔瑟姆布兰代斯大学地斯坦利o德塞尔说韦尔兰德地工作前景光明，但它是“一个爆炸性视件，要彻底了解它地前因后果需要很多时间，而且这个理论对牛顿、胡克和爱因斯坦制订地金科玉律提出了质疑和挑战。“
韦尔兰德强调，这只是第一篇关于该项目地论文。 “它甚至算不上一种理论，只是提出了一个新地范例或框架地建议，”他说。 “艰巨地工作还在后面。”
李淼
理论物理似乎每隔一年就有一个新的想法冒出来并吸引众人的眼球。去年，加州大学伯克利分校的Horava教授提出一个新的引力理论，今年，荷兰的Verlinde教授提出引力不是基本力，而是一种熵力。去年的Horava理论的原始论文在一年内被引用了两百多次，今年的熵力势头也不弱，在不到一个月的时间内已经被引用了二十多次。
Horava教授的理论试图将时间和空间分开，认为在微观层面上时间和空间是完全不同的，爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论只是在宏观是正确的。抛弃了时间和空间之间的某种对称性，Horava认为他的理论优于爱因斯坦的引力理论，可以和量子力学完美地结合起来。但是，Horava理论的问题不少，我本人也和学生写过论文指出其中的一个问题（这篇批评文章在九个月中也被引用了八十多次），所以很多跳上这个花车乐队的论文根本发表不了。让人担心的是，中国人对这个花车乐队的形成起了不小的作用。
Verlinde的想法和Horava的理论完全不同，他没有抛弃爱因斯坦理论，相反，他认为爱因斯坦理论是一种演生的现象，而不是基本的。更基本的原理是全息原理和量子力学，而引力只是一种熵力。我们熟知的弹性力、气体的压强都是熵力，引力不过是更加微妙的一种熵力。一个熵力大体上不是微观的组分之间已经有的力的总和，而是体系倾向于无序化体现出来的宏观力。例如，高分子蜷曲的时候比较无序，所以当我们试图用“镊子”拉伸高分子时，我们需要克服弹性力。我专门写过稿子宣传Verlinde的熵力想法，并认为引力是熵力的想法也许是非常重要的灵感。
获得实验验证以及公认的引力理论在历史上有两个。一个是有三百多年历史的牛顿万有引力理论，牛顿是在家乡躲避瘟疫时发现这个理论的。传说中，牛顿在苹果树下思考时被苹果砸中脑袋得到万有引力的灵感的。第二个理论是爱因斯坦的弯曲时空理论。爱因斯坦为了建立这个理论断断续续地思考了近十年，其中关键的想法也是突然而来的灵感。牛顿理论是爱因斯坦理论的一个近似，它们在不同程度上都是正确的。现在，我们在争论Verlinde理论会不会类似牛顿和爱因斯坦理论，成为引力理论史上的第三个重要灵感。
不过，熵力的想法目前还显得比较粗糙，例如，Verlinde并没有建议比引力更加基本的理论具体是什么，所以，学界对这一想法看起来还在采取观望的态度。这次，我将赌注压在了Verlinde这一边。虽然我们中国人这次跟风还是很快，我觉得，这一次应该不是花车乐队。不过我觉得跟风的文章应该写得更慎重一些，而不是有了点想法就写出来。
捷克人、著名科学博客Motl这次还是看不下去了。他认为引力是熵力的观点完全是胡说八道，并指责中国人。学术上，我不同意他的判断，这里就不具体地谈我的理由。他对中国人轻易地一哄而上制造花车乐队的看法有部分道理。他加给跟随Verlinde的中国人头上的“罪名”是这样的（摘录大意）：
“总体上，中国人的文章质量与西方的论文是有差距的，就像中国产品和西方产品的差距一样。中国经济有很多泡沫，同样，中国论文也有很多泡沫。中国公司没有百年以上的传统和标准，10亿多人中的很多人愿意随时跳上一个花车。当然，中国对西方在传统的工业里是一个威胁，但不要忘了，在不远的将来，中国无论在商业上还是科学上，仍会制造不少垃圾。中国没有突然变成顶级发达国家。”
我在原则上是同意Motl对中国科学产出的批评的，虽然我觉得他这般指名道姓地指责中国学界，有些违背文明规则。而且，他的口气不无西方沙文主义，虽然他本人是捷克人。
不妙的是，Motl还同时指责了他在科学文化界的两位“敌人”，一位是Lee Smolin，一位是Peter Woit，这两位都写过书批评弦论。Lee Smolin这次的确很快写了一篇论文支持熵力，而Woit几乎什么也没有说。所以，Woit很快在他的博客著文反击。
我们不管他们之间的“旧恨新仇”。我们看看Woit是怎么看待熵力的（摘录大意）：
“在熵力这个问题上，我和Motl同样感到不安。 多年来，我一直反对那些表面宏大的其实很模糊的想法，这些模糊的想法只用到中学数学，就声称对基础物理有了全新的理解，Verlinde的熵力也许是这样一种理论，也许会成为今年的年度最有影响论文。”
我在前面说过，我打赌Verlinde的熵力是一个正确的灵感。所以，我看到下面一则对Woit观点的评论时感到很有共鸣：
“我必须说，你对熵力的恶意批评让我想起当年人们是如何批评贝肯斯坦的黑洞熵工作和霍金的黑洞蒸发工作的。”
这场学术争论还刚刚开始，我猜想，越来越多的人会加入争论。那些目前还保持沉默的人，我想绝大多数还处于消化这个想法的阶段，而不是像Motl声称的那样完全同意他。
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