任淇欽 賈佳昕 徐美飛

摘 要：暗物質是一種物質形式，它被認為大約占據(jù)了宇宙物質的85%并且是宇宙總能量密度的四分之一，大多數(shù)暗物質被認為是自然界中的非重子物質，其可能是由一些尚未發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子組成。各種天體物理學的觀測暗示了它的存在。

關鍵詞： 暗物質;暗能量;相對論

愛因斯坦的廣義相對論剛剛誕生100多年，迄今為止，它很好地預測了天體與時空場之間的相互作用。然而，在一些棘手的問題上，廣義相對論與量子力學的結論并不一致。幾十年來，這些差距一直困擾著研究人員，并催生了一些試圖解釋這種不協(xié)調的假設。

暗物質和暗能量是解決該問題的主要替代方法，但到目前為止，它們還僅僅是替代。有些物理學家不接受這類解釋。阿姆斯特丹大學（University of Amsterdam）的數(shù)學和信息學教授埃里克·韋林德（Erik Verlinde）就是其中之一。他提出了一種新的理論來為引力力學提供一種新的視角，從而觸動了物理學世界的神經(jīng)。

2009年12月8日，他在一個專題論文會上介紹了他關于如何推導出牛頓經(jīng)典力學的新理論。之后，2010年1月6日他在網(wǎng)上發(fā)表了論文《引力的起源與牛頓定律》（On the Origin of Gravity and the Laws of Newton）。其中他給出了一個新的假說，認為引力并非是一種基本力，而是對特定環(huán)境組成的一種反應。與其說引力是基本力，不如說引力實際上可能是量子體位置的結果，類似于溫度是從單個粒子的運動中導出的方式。

“愛因斯坦的理論可以看作是從更微觀的角度得出的，”Verlinde說?！拔覀兞私獾暮诙丛趷垡蛩固沟睦碚摽雌饋砀袷菬崃W定律，而我們所知道的熱力學定律是可以通過思考描述物質的微觀成分而得到。”

Verlinde專注于量子相互作用來解釋廣義相對論和量子理論之間的不協(xié)調。他的理論離完成還有很長一段路要走，但到目前為止，它還是站得住腳的，特別是他在反對暗物質的觀點上提出了一些有力的論據(jù)。

慢慢的，物理學家們痛苦地意識到了這樣一個事實：當考慮到螺旋星系所包含的物質的數(shù)量，以及因此而產(chǎn)生的引力時，螺旋星系的旋轉速度要比它們應該的速度要快。當前的理論認為，恒星、行星、塵埃和其他物質都應該以其中一些物質旋轉的速度被拋向太空。但正是因為它們不是，所以物理學家假設我們看不見或無法探測到的“暗物質”造成了額外的引力，將這些星系聚集在一起。據(jù)說這種物質占宇宙的25%，但是Verlinde相信可能有另一個答案可以解釋預期和觀測到的旋轉曲線之間的偏差。他說：“我們觀察到的是，我們看到的星系旋轉曲線的偏差，是通過觀察我們看到的物質得出的，似乎總是在一個特定的加速度下發(fā)生。”

這個特定的加速度恰好在星系的距離和它遠離我們的速度之間的關系中扮演著重要的角色，這是由宇宙的膨脹所決定的，被稱為哈勃定律。2017年，亞歷山大·查魯姆·埃爾貝澤（Alexandre Chaloum Elbeze）在《現(xiàn)代物理學雜志》（Journal of Modern Physics）上發(fā)表了一篇論文，概述了宇宙的膨脹率是如何通過一個新參數(shù)與天文學家測量的星系旋轉曲線聯(lián)系起來的。

他說：“這一事實多少暗示了它與宇宙的哈勃膨脹有關，目前這是由于暗能量的存在”。

哈勃常數(shù)描述了觀測到的宇宙加速膨脹。這種加速是無法解釋的，但它被歸因于“暗能量”，“暗能量”是一個可以用來解釋暗物質的概念。

“暗能量是我的理論中相當重要的一部分，”Verlinde說?！拔也粫U除所有被稱為‘黑暗’的東西，我只是通過思考暗能量的影響來解釋我們現(xiàn)在所說的‘暗物質’，而暗能量實際上會產(chǎn)生同樣的效果?！?/p>

值得注意的是，Verlinde是作為弦理論學家，從一個特定的角度來處理暗物質的問題，并努力將其納入這個角度。

Van Raamsdonk說：“這種可能性很有趣，但就我所知，它并不是建立在精確的數(shù)學模型上的?！毕喾矗窃谟米约旱闹庇X拼湊出一套想法，并為事情如何運作提供一個故事。

到目前為止，Verlinde堅信的觀點已經(jīng)被證明在數(shù)學上和觀測上是正確的——至少在星系旋轉曲線上是正確的。真正的目標將是建立一個描述星系旋轉之外的理論。法蘭克福高等研究所（Frankfurt Institute for Advanced Studies）的研究員薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）表示，描述早期宇宙的演化將是一個重大挑戰(zhàn)。

目前，包含粒子暗物質的理論正確地預測了宇宙微波背景下觀測到的溫度變化?！安恍业氖?，Verlinde提出的引力模型不允許進行必要的分析來證明其有效性，至少現(xiàn)在還不允許，”她在福布斯的一篇文章中寫道。

Verlinde意識到這個年輕理論的缺點，但他有信心在未來解決這些問題。

“我主要關注于試圖解釋這些旋轉曲線，但是暗物質的概念已經(jīng)被用在試圖理解早期宇宙的許多其他方面，”Verlinde說?！拔冶仨毥忉屝窍凳侨绾涡纬傻?，以及我們在宇宙微波背景中看到的這些波動。如果我想描述宇宙的演化，我下一步必須計算更長的時間尺度上正在發(fā)生的事情?！?/p>

在全世界推廣這個想法對Verlinde來說是一項艱巨的任務?？紤]到這個想法是如此強烈地違背了大眾的信念，即使在他自己的隊友中，他也只有少數(shù)幾個盟友。

“我必須把我的想法賣給不同的聽眾，不僅是宇宙學家和用其他方式處理暗物質的人，還有我的弦理論同事，”他說?！拔艺J為，人們正慢慢開始看到我的推理邏輯的好處?！?/p>

“但我認為這是一個比僅僅假設暗物質存在更好的理論。因為如果暗物質有那么多種形式，人們可以想象它的存在，而且這些理論有一大堆，沒有人真正知道它是什么，也許所有這些都是錯的。”

無論Verlinde的理論在追求理解的過程中如何發(fā)展，其結果都有一些令人興奮的前景。

“無論如何，試圖理解引力和量子糾纏之間的這些新聯(lián)系的意義是非常令人興奮的，我們中的許多人都在努力工作，以看到這將導致什么，”范·拉姆斯東克說?！凹词筕erlinde對暗物質的具體解釋并不正確，我們已經(jīng)在學習關于引力和黑洞的新知識，我很樂觀，我們將會學到一些關于宇宙學、暗能量或大爆炸的令人興奮的東西?！?/p>

參考文獻：

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