引力的本質(zhì)幾個(gè)世紀(jì)以來一直吸引著物理學(xué)家，從牛頓的萬有引力定律到愛因斯坦革命性的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論將引力描述為由質(zhì)量和能量引起的時(shí)空彎曲，雖然它在解釋廣泛的現(xiàn)象方面取得了巨大的成功，但在試圖與量子力學(xué)調(diào)和以及解釋某些宇宙學(xué)觀測(cè)時(shí)，仍然面臨挑戰(zhàn)。
在此背景下，由埃里克·韋爾林德在 2009 年提出的“引力源于熵”的概念，提出了一種激進(jìn)且引人入勝的替代方案。該理論認(rèn)為，引力本身并非一種基本力，而是一種從微觀自由度的統(tǒng)計(jì)行為中涌現(xiàn)出來的現(xiàn)象，類似于熱力學(xué)力如彈性。
經(jīng)典的引力理論
傳統(tǒng)的引力理解雖然強(qiáng)大，但也并非沒有其復(fù)雜性。17 世紀(jì)提出的牛頓引力描述了引力是質(zhì)量物體之間的一種吸引力，它以瞬時(shí)的方式跨越距離作用。雖然對(duì)于日?，F(xiàn)象和太陽系內(nèi)的天體力學(xué)非常精確，但它無法解釋強(qiáng)引力場(chǎng)或宇宙尺度上的現(xiàn)象。
20 世紀(jì)初提出的愛因斯坦廣義相對(duì)論徹底改變了我們的理解，它將引力描述為時(shí)空彎曲的表現(xiàn)，而不是一種力。質(zhì)量和能量彎曲了時(shí)空的結(jié)構(gòu)，物體沿著這個(gè)彎曲時(shí)空中的測(cè)地線運(yùn)動(dòng)，這就是我們所感知的引力。廣義相對(duì)論已經(jīng)通過觀測(cè)得到了廣泛的驗(yàn)證，包括光線在巨大物體周圍的彎曲、水星軌道的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力波的存在。
然而，廣義相對(duì)論本質(zhì)上是一種經(jīng)典理論，它試圖與量子力學(xué)（支配微觀世界的理論）統(tǒng)一的努力充滿了困難。此外，暗物質(zhì)和暗能量的謎團(tuán)，它們構(gòu)成了宇宙質(zhì)量-能量內(nèi)容的大部分，在廣義相對(duì)論的標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)仍然無法解釋，這促使物理學(xué)家探索引力的替代或修正理論。
引力來源于熵
埃里克·韋爾林德的熵力引力理論提供了一種根本不同的方法。它認(rèn)為引力不是由引力子介導(dǎo)的基本力，而是一種涌現(xiàn)的熵力。一般來說，熵力是一種宏觀力，它源于系統(tǒng)增加熵的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中，熵是衡量系統(tǒng)可能擁有的微觀狀態(tài)數(shù)量的指標(biāo)。系統(tǒng)自然傾向于演化到熵最大的狀態(tài)，因?yàn)檫@些狀態(tài)在統(tǒng)計(jì)上更可能出現(xiàn)。
考慮一個(gè)簡單的例子：粘性介質(zhì)中的彈性聚合物鏈。當(dāng)被拉伸時(shí)，鏈處于低熵狀態(tài)。它將自然地傾向于卷曲和收縮以最大化其熵，從而產(chǎn)生有效的宏觀力，即熵力。這種力不是基本的，它源于鏈的微觀成分的統(tǒng)計(jì)行為。
韋爾林德通過將引力與全息原理以及全息屏幕上的信息存儲(chǔ)概念聯(lián)系起來，將這一概念擴(kuò)展到引力。全息原理受到黑洞熱力學(xué)的啟發(fā)，它表明空間體積的信息內(nèi)容可以編碼在其邊界上，就像全息圖一樣。韋爾林德提出，時(shí)空本身是涌現(xiàn)的，引力源于與空間相關(guān)的信息。他將宇宙設(shè)想為由全息屏幕所界定，而時(shí)空主體中物質(zhì)的存在導(dǎo)致該屏幕上的信息分布發(fā)生變化。這種信息的變化與熵的變化相關(guān)聯(lián)。然后，由最大化熵的趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)的熵力被解釋為引力。
在韋爾林德的公式中，引力不是將物體拉到一起；相反，它將物體推向熵較高的區(qū)域。當(dāng)一個(gè)測(cè)試質(zhì)量接近全息屏幕時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致屏幕上信息內(nèi)容的變化，從而導(dǎo)致熵的增加。然后，熵力作用于使測(cè)試質(zhì)量朝向最大化熵增加的方向移動(dòng)，這被感知為引力吸引。韋爾林德最初的論文證明，在某些假設(shè)下，這種熵力可以重現(xiàn)牛頓的萬有引力定律，甚至可以重現(xiàn)廣義相對(duì)論的某些方面，尤其是在弱引力場(chǎng)中。
優(yōu)勢(shì)與批評(píng)
熵力引力的潛在優(yōu)勢(shì)之一是它能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)引力理論難以解釋的現(xiàn)象提供不同的視角。一些支持者認(rèn)為，熵力引力可能為暗物質(zhì)和暗能量提供自然的解釋。例如，在宇宙尺度上對(duì)熵-面積關(guān)系或全息原理的修改可能導(dǎo)致偏離牛頓引力的現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象目前被歸因于暗物質(zhì)。此外，涌現(xiàn)引力的概念與量子引力的某些方法相一致，這些方法也表明時(shí)空和引力并非基本，而是從普朗克尺度上更基本的自由度中涌現(xiàn)出來的。
然而，熵力引力并非沒有批評(píng)和挑戰(zhàn)。一個(gè)主要的爭議點(diǎn)是缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來支持該理論。與廣義相對(duì)論不同——已經(jīng)通過大量實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)得到了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，熵力引力在很大程度上仍然是理論性的。批評(píng)者還提出了概念上的困難，質(zhì)疑涌現(xiàn)引力背后的精確統(tǒng)計(jì)力學(xué)系統(tǒng)以及將全息屏幕解釋為物理實(shí)體的合理性。
此外，從熵力引力原理中推導(dǎo)出廣義相對(duì)論的完整框架，包括愛因斯坦場(chǎng)方程，已被證明是一項(xiàng)復(fù)雜且持續(xù)的挑戰(zhàn)。一些研究人員認(rèn)為，迄今為止提出的推導(dǎo)依賴于特定的假設(shè)，并且可能不具有普遍適用性。還有人擔(dān)心熵力引力是否能夠始終如一地解釋強(qiáng)引力透鏡、黑洞動(dòng)力學(xué)和引力波等現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象在廣義相對(duì)論中得到了很好的描述。
結(jié)語
盡管存在這些挑戰(zhàn)，但對(duì)熵力引力的研究仍在繼續(xù)，不斷努力改進(jìn)理論，回應(yīng)批評(píng)，并探索其影響。研究人員正在研究熵力引力的不同公式，探索與其他涌現(xiàn)引力情景的聯(lián)系，并試圖開發(fā)可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)，以便將熵力引力與廣義相對(duì)論區(qū)分開來。
總之，“引力源于熵”的概念為引力的本質(zhì)提供了一個(gè)引人入勝且根本不同的視角。通過暗示引力不是一種基本力，而是一種涌現(xiàn)的熵力現(xiàn)象，它挑戰(zhàn)了時(shí)空和引力作為基本實(shí)體的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。雖然熵力引力為解釋宇宙學(xué)之謎以及潛在地彌合廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的差距提供了令人興奮的可能性，但它仍然是一個(gè)發(fā)展中的理論，面臨著重大挑戰(zhàn)，并且需要進(jìn)一步的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證。
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