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新理论挑战百年物理学! 英国数学家提出, 引力来自熵, 是统计现象

         发布日期:2025-03-06 17:52    点击次数:68

爱因斯坦曾经说过,宇宙中最不可理解的事情,是它竟然可以被理解。现在,物理学家们正试图挑战他的理解方式。

重力从哪里来?爱因斯坦告诉我们,它来自时空的弯曲。但这个解释有个问题,它和量子力学不兼容。量子世界里,粒子服从不确定性原理,可以同时存在于多个状态。而广义相对论的世界里,时空是连续的,精确而平滑,完全没有量子的模糊性。这两个理论各自精妙,但放在一起,就像水和油,无法融合。这也是量子引力这个世纪难题的根源。

现在,一个新的理论来了。英国伦敦玛丽女王大学的数学教授 Bianconi 提出,重力其实来自熵。换句话说,重力不是一种基本力,而是一种信息处理的结果。本质上,它是时空在统计学意义上的“排序”效应。

听起来很疯狂。但别急,细节里藏着魔鬼。

首先,这个理论建立在量子相对熵的基础上。相对熵,是信息论里的一个概念,描述的是两个概率分布之间的差异。物理学家发现,量子相对熵可以用来衡量物理系统的几何结构变化。Bianconi 的理论,就是用这种相对熵来定义引力作用,认为时空的几何结构,是由熵的变化决定的。

这意味着什么?意味着爱因斯坦的引力方程不是基本的,而是统计现象。在低能量、低曲率的情况下,这种熵驱动的引力理论会退化成爱因斯坦的方程。但在极端条件下,比如黑洞内部、宇宙大爆炸的瞬间,它的预测会和广义相对论不同。

更有意思的是,这个理论自带一个“副产品”:暗物质。

一直以来,暗物质是个谜。科学家发现,星系的旋转速度不符合牛顿力学的计算,必须有额外的质量才能解释,但这种质量无法被直接观测到。现有主流观点认为,暗物质是一种未知的粒子,比如弱相互作用大质量粒子(WIMP),或者轴子。但几十年过去,所有实验都一无所获。

Bianconi 的理论提供了另一种可能性。它引入了一个“G 场”,作为拉格朗日乘子,调整时空和物质之间的熵差。换句话说,G 场的存在,会自然地产生额外的引力效应,而不需要额外的粒子。这听起来就像是暗物质的另类解释。

更进一步,这个理论还提供了一种解释宇宙加速膨胀的方法。传统上,物理学家用“宇宙学常数”来描述这个现象。爱因斯坦在 1917 年提出这个概念,后来因为发现宇宙膨胀而撤回,称其为“一生最大的错误”。但现代观测发现,这个数确实存在,只不过它的值比量子场论预测的小了 120 个数量级。

Bianconi 认为,这个宇宙学常数的来源,也可以从熵出发来解释。在她的框架下,G 场不仅能解释暗物质,还能在大尺度上调整宇宙膨胀的速率,使得预测值与观测数据吻合。这是个有趣的猜想,因为它把两个未解之谜——暗物质和暗能量——统统归结到同一个机制上。

但问题也不是没有。

首先,这个理论还只是一个数学框架,没有实验支持。量子引力一直以来的最大问题,就是无法进行直接实验。弦论、圈量子引力,乃至近年来流行的全息原理,都面临同样的困境。没有实验,物理学就只是数学游戏。

其次,G 场到底是什么?如果它真的能模拟暗物质,那应该有某种方法可以检测到它的效应。比如,星系尺度上的引力透镜效应,或者宇宙微波背景的涨落。如果 Bianconi 的理论是对的,那这些现象的细节应该和现有的暗物质模型有所不同。问题是,目前还没有明确的证据支持它。

但不可否认,这是个值得注意的方向。近年来,物理学正在经历一场危机。粒子物理标准模型几乎无懈可击,但它无法解释暗物质、暗能量、引力,甚至无法回答为什么宇宙中物质比反物质多。引力波的发现,虽然证明了爱因斯坦的正确性,但并没有提供量子引力的新线索。新物理在哪?没人知道。

Bianconi 的理论,是在信息论的框架下重新思考重力。它和爱因斯坦的思维方式完全不同,但却可能在极端条件下提供更好的答案。毕竟,量子理论已经告诉我们,世界的本质是信息。黑洞信息悖论、量子计算、全息原理,所有这些最新的物理研究,都在指向一个方向:宇宙可能并不是由粒子构成的,而是由信息构成的。

如果真是这样,那么 Bianconi 的理论,也许是正确的。

即便这个理论最终失败,它也提供了一种新的思考方式。在科学史上,很多伟大的理论,都不是一蹴而就的,而是经过无数次试错,最终才找到正确的道路。爱因斯坦推翻了牛顿,但他也曾错误地拒绝量子力学。今天,我们或许正站在一个新的转折点上。

下一步是什么?实验。理论再美,最终都要接受观测的检验。引力波探测器、暗物质实验、宇宙微波背景的精细测量,都会给出答案。如果 Bianconi 的理论是真的,那么未来的实验应该会发现 G 场的效应。否则,它就只是另一种数学上的可能性。



 
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