爱因斯坦引力理论错了?新理论要重写物理学!

2017-01-12 08:46:21 来源: 网易科学人 举报
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出品 | 王真 网易科学人栏目组


今年早些时候,荷兰阿姆斯特丹大学的埃里克‧韦尔兰德(Erik Verlinde)教授发表了题为《韦尔兰德引力假说》(Verlinde's hypothesis of gravity)的论文,称我们目前对引力的理解——这是由爱因斯坦首先提出的——可能是完全错误的。

现在,韦尔兰德教授尚有争议的理论首次接受了实验测试,显示该理论能站得住脚。

一项独立研究对超过3万个星系的引力分布进行了分析,发现了支持该理论的证据——如果确认,它可以完全重写物理学

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图注:我们100多年以来对引力的理解可能是错误的。现在,对超过30000个星系所开展的独立研究,发现了支持这一理论的证据

韦尔兰德的理论试图解决暗物质的奥秘。

当研究恒星和星系时,天文学家发现引力的作用力比预期的更强。

像我们的银河系,星系外部区域围绕中心的旋转速度远远大于根据普通物质数量计算出来的速度,而恒星、行星和星际气体等则不存在这种情况。

在传统理论中,物理学家为了解释这种不一致性,假设那里存在我们无法看到、被称为“暗物质”的东西。

暗物质粒子从未被科学家观察到,尽管科学家付出许多努力来检测它们的存在。目前,天文学家通过观测其对我们可以看到的物质所产生的引力作用,来推断它们的存在。

韦尔兰德教授表示,我们需要重新认识引力,从有关方程中完全去除暗物质的影响。

为了达到这样的目的,他提出的目前尚有争议的理论认为,引力不是自然界的基本力量,而是一种“突发现象(emergent phenomenon)”。

韦尔兰德教授的理论开始作为论文发表于2010年,但一直未接受测试。

荷兰莱顿大学(Leiden University)的一个研究小组对它进行测试,提供了首个实验证据,显示这一有争议的假说可能是正确的。

该小组由来自莱顿天文台的天文学家马戈特·布劳尔(Margot Brouwer)领导,深入研究了超过3万个星系中的物质分布。

他们发现,韦尔兰德的引力假设可以解释物质的分布,而不需要假设“暗物质”的存在。

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图注:今年早些时候发表的一项理论,称我们目前对引力的理解——这是由爱因斯坦首先提出的——可能是完全错误的

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图注:像我们的银河系,星系外部区域围绕中心的旋转速度远远大于根据普通物质数量计算出来的速度,而恒星、行星和星际气体等则不存在这种情况

研究人员利用了“引力透镜效应”——这是一种视觉效果,其中更接近地球的星系会使来自更遥远的星系发出的光弯曲,这是公认的测定星系质量的方法。

星系的引力会使空间弯曲,从而使通过这个空间的光线发生弯曲。

光线的这种弯曲使天文学家能测量星系周围的引力分布,其范围甚至比星系本身大一百倍。

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图注:今年早些时候,埃里克‧韦尔兰德教授(如图)提出了被称为“韦尔兰德引力假说”的新理论。 如果该理论在更多测试中得以通过,它可能推翻100多年来的物理学,甚至抛弃有关暗物质的理论

该研究小组利用爱因斯坦的经典相对论和韦尔兰德的引力假说,分别对星系进行预测。

然后,他们通过核对这些预测与他们观察结果相匹配的程度,对这两种理论进行比较。

他们发现,这两种引力理论对星系均做出正确的预测,而韦尔兰德的引力假说不需要任何“自由参数”。

自由参数是一个可以调整的值——本质上是个欺骗值,以确保星系的观测数据与初始假设相匹配。

测量星系的研究人员表示,将暗能量引入他们的方程式中,意味着他们必须使用四个自由参数。

论文的主要作者和博士生玛戈特·布劳沃(Margot Brouwer)告诉《新科学家》(New Scientist)杂志:“与韦尔兰德的预测相比,暗物质模型的预测实际上稍微更符合观测数据。”

布劳沃指出:“但是,从数学角度看,如果你考虑韦尔兰德的预测没有使用任何自由参数,而暗物质模型的预测使用了,那么你会发现韦尔兰德的模型实际上表现略好。”

如果韦尔兰德的理论在更多测试中通过,它可能推翻100多年来的物理学,甚至抛弃有关暗物质的理论。

如果最终被证明是正确的,韦尔兰德教授的假设可以成为一个“万物理论”,整合了可观测的经典物理世界与难以捉摸的量子力学世界。

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图注:来自荷兰莱顿大学的研究团队最终测试了韦尔兰德的引力假设,并且证明了这项有争议的假设可能是正确的。该团队仔细观察了超过3万个星系的物质分布

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图注:韦尔兰德教授的理论始于2010年发表的一篇论文。在那篇论文中,他证明了牛顿著名的第二定律可以源自于底层微观的“建构单元”。牛顿著名的第二定律描述了苹果如何从树上落下,以及卫星能停留在地球轨道上

布劳沃称:“现在的问题是,该理论如何进一步发展,以及如何进一步对其进行测试。”

她说:“但不管怎么样,这次首次测试的结果肯定看起来很有趣。”

上月,韦尔兰德教授详细阐述了他的理论,告诉荷兰新闻网站NOS:“当前,我们急需重新思考有关空间、时间和重力的观念。”

他说:“我们早就知道爱因斯坦的引力理论不能与量子力学相统一。我们的研究结果正使物理学发生巨大变化,我认为我们正处于科学革命的前夕。”

新理论被称为“突发引力”,提出引力是作为宇宙熵的副作用而出现的。

熵描述了系统的混乱程度。

韦尔兰德教授采用了宇宙熵的概念,并利用这一概念对物理学家、诺贝尔奖获得者赫拉德·特霍夫特(Gerard′t Hooft)提出的一种被称为“全息原理”的理论进行改造。

他说,引力出现于信息基本位的变化中,存储于时空的结构中。

他说:“在宏观世界,引力的表现方式似乎不符合爱因斯坦理论的预测。”

他说,暗能量可能导致了恒星和星系的引力增加。暗能量是导致宇宙中异常事情发生的神秘力量。

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图注:韦尔兰德教授采用了宇宙熵的概念,并利用这一概念对物理学家、诺贝尔奖获得者赫拉德·特霍夫特(Gerard′t Hooft)提出的一种被称为“全息原理”的理论进行改造。他说,引力出现于信息基本位的变化中,存储于时空的结构中

在那篇论文中,他证明了牛顿著名的第二定律可以源自于底层微观的“建构单元”。牛顿著名的第二定律描述了苹果如何从树上落下,以及卫星能停留在地球轨道上。

他后来证明,当你考虑这个新的引力定义,它不再需要一种新的粒子来解释暗物质——星系的行为没有它也说得通。

韦尔兰德教授称:“我们有证据证明,这种有关引力的新观点与实际观察结果是一致的。而在宏观世界,引力的表现方式不符合爱因斯坦理论的预测。”

暗物质理论不是唯一与我们目前引力理论不相容的理论。

“标准模型”(Standard Model, SM)理论称,宇宙中的万物都是由被称为“基本粒子”的最基本的建构单元构成,它们受四种力量控制:引力、电磁力、弱核力和强核力。

但是多年来“标准模型”理论留下了一些未解问题,所以科学家渴望突破该理论并找到新的理论。

例如,“标准模型”理论不能解释引力,因为它与广义相对论不相容——而后者是目前我们对引力如何发挥作用的最好解释。

用于描述极小粒子的量子理论和描述宏观世界的广义相对论很难调和。在“标准模型”理论下这两种理论从数学角度都无法兼容。

王真 本文来源:网易科学人 责任编辑:王真_NT5228
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