广义相对论留下的疑问：物质到底是如何影响时空的？

没有什么比这更让人困惑的了：整个星系似乎都被某种东西控制着，这种东西影响着星系的行为，但没有人知道这个“东西”是什么。如果它是物质的一种形式，那么它一定是宇宙中最丰富的物质，然而所有的尝试都以失败告终。甚至大型强子对撞机也没有看到它的身影。它仍然像它的名字一样神秘：暗物质。

现在，一位理论家用一个极其简单的解释引发了争议，解释了为什么暗物质仍然没有被发现：它不存在。

但这并不是阿姆斯特丹大学教授Verlinde吸引如此多关注的唯一原因。毕竟，之前也有人提出暗物质可能是某种幻觉。使弗林德与众不同的是他对幻觉来源的解释。他认为这是对宇宙中最熟悉的力——引力——的基本误解的结果。

这一论断使Verlinde与科学界一些最伟大的科学家的工作产生了矛盾，包括阿尔伯特·爱因斯坦，他著名的引力理论是现代物理学的基石之。广义相对论已经取得了一系列的成功，包括2015年发现的引力波——两个黑洞碰撞引起的时空结构中的涟漪。

Verlinde花了数年时间从理论和观察中拼凑线索，创造出我们称之为引力的全新视角。现在他的想法正在接受测试，结果很有趣。

在媒体上，Verlinde被誉为爱因斯坦的智力继承者，但是他认为他的目标更实际。他说：“我只是想解释引力从何而来。”

在爱因斯坦证明引力是物质扭曲空间和时间的结果一个世纪之后，这似乎是一个奇怪的说法。然而，根据Verlinde的说法，这忽略了一个事实，即广义相对论仍然只是我们称之为引力的一种描述。它留下了一个悬而未决的关键问题：物质究竟如何影响空间和时间。

为了进行他的研究，Verlinde不得不努力解决一些科学上最深奥的问题，包括寻求所谓的“万物理论”——一种将引力和量子力学结合起来的理论，几十年来一直被认为是物理学的圣杯。

理论家们早就知道，广义相对论不可能是引力的最后定论。这是因为它没有融合现代物理学的另一个基石——量子理论。除了以惊人的精确度描述亚原子世界之外，量子理论还能够解释除引力之外的所有基本自然力。自20世纪50年代以来，理论家们一直试图将两种自然观结合起来，形成一种包罗万象的理论。

Verlinde说，问题在于，他们基于对现实截然不同的观点。例如，广义相对论假定精确地确定粒子的位置和运动方式是可能的，而量子理论则表明这是不可能的。Verlinde解释说：“所以把重力考虑进去会给我们带来一些问题。”

多年来，他致力于研究超弦理论，许多人认为这是克服这些问题最有希望的方法。然而，尽管经过了几十年的努力和大量令人难以置信的想法，仍然没有确凿的证据表明它是有效的。

这使得Verlinde走上了一条寻找引力真相的不同道路。这一真理的起源在于引力与科学中一个明显不相干的部分之间的一系列令人惊讶的联系：热力学，即热的物理。

在20世纪70年代早期，研究黑洞的理论家们——以其引力强度而“臭名昭著”——发现它们也一定充满了一种叫做熵的东西。熵被广泛用于理解热物体的行为，它反映了在不改变物体外观的情况下重新排列物体成分的方法。计算表明，黑洞包含的熵可能是最大的，可以塞进一个给定的空间体积。

但他们也揭示了一些其他的东西。常识表明，由于黑洞的熵取决于物体的成分，所以它的熵应该取决于它的体积。然而，理论学家发现它只取决于黑洞的表面积。更奇怪的是，这些计算表明，黑洞的表面是由所谓普朗克区域的巨大碎片组成的。普朗克区域是以德国量子理论先驱的名字命名的，甚至比亚原子粒子还要小得多，而且似乎是时空本身的组成部分。

考虑到热物理和时空之间令人费解的联系，佛林德开始怀疑这是否暗示着一种全新的思考重力的方式。热曾经被认为是存在于物质内部和自身的基本属性，比如电荷，但现在我们知道，它最终是由组成气体、液体或固体的数百万个原子和分子碰撞而成。构成物质的原子和分子运动得越快，它们拥有的能量就越多，物质的温度就越高。因此，热实际上是一种“涌现”的性质。

那么，被认为是基本的引力也可能是突现的吗？它的真正起源与熵和那些极其微小的普朗克时空区域有关?

2010年，Verlinde发表了一篇论文，展示了如何利用他的理论精确地推导出牛顿和爱因斯坦的万有引力定律，这在理论家中引起了轰动。“与其他已知的涌现现象的相似之处，大多被认为只是具有启发性的类比，”Verlinde宣称。“是时候了，我们不仅要注意到这种类比，谈论这种相似性，而且最终要废除重力作为一种基本的力。”

尽管这一发现很有趣，但许多理论家仍然不相信这只是物理学上的一个怪癖。Verlinde需要的不仅仅是复制现有的理论，而是预测一些新的、可测试的东西。现在他相信他已经找到了暗物质之谜。

虽然在80多年前对星系团的研究中发现了暗物质存在的迹象，但这是星系内部一种奇特效应的发现，首次说服天文学家认真对待暗物质。

根据牛顿的万有引力定律，离星系中心较远的恒星的轨道运行速度应该比离星系中心较近的恒星慢。但在20世纪70年代，对螺旋星系内恒星的研究表明，在离中心一定距离之外，这种效应就会消失。最明显的解释是，恒星受到星系周围无形物质云引力的影响。很快人们就明白了，无论这是什么东西，都不可能由物质的标准构件构成。这引发了一场全球性的努力，寻找一种可行的替代方案，这种努力一直持续到今天，但没有取得任何成功。

这导致越来越多的人怀疑，最明显的解释是错误的。1983年,以色列魏兹曼科学研究所的物理学家米尔格教授,指出一个奇怪的事实银河系暗物质的证据:也可以解释如果牛顿定律无法准确解释外的星系中恒星的运动感觉重力加速的速度小于某一临界值:约100——billionth生成的地球。

有趣的是，米尔格罗姆所谓的修正牛顿动力学只是用另一个谜团取代了一个谜团：这种“临界加速度”从何而来?这就是Verlinde决定利用他的涌现引力理论来发现的。他说:“我很快就找到了一种粗略的计算方法，或许可以解释这个问题，但我必须花好几年的时间，才能让它更精确。”现在他相信自己成功了。

关键在于整个宇宙对引力存在所必需的关键因素的影响:熵。根据牛顿和爱因斯坦的理论，像黑洞这样的物体的熵随其面积的增加而增加。但Verlinde指出，由于暗能量的存在，整个宇宙的尺度都在发生变化。暗能量在20世纪90年代首次被发现，是一种反引力，推动着宇宙的膨胀。它的起源仍然是个谜，但是Verlinde的计算表明暗能量导致熵随着体积而增加，而不仅仅是面积。这在宇宙尺度上改变了引力的行为——而且，Verlinde说，结果是加速效应产生了暗物质存在的错觉。

他说:“在一个膨胀的宇宙中，引力定律必须按照牛顿动力学所指示的加速度范围进行调整。”然而，与蒙德不同的是，他能够利用基础物理计算出这种效应。

Verlinde的理论不仅解释了为什么暗物质从未被发现。长期以来，天文学家一直对螺旋星系的亮度与其自转速度之间的“定律”感到困惑。被称为图利-费雪关系，使用传统的引力理论是没有意义的，但是Verlinde已经证明这是引力和熵之间联系的自然结果。

支持Verlinde理论的进一步证据来自于最近对来自遥远星系的光的研究。根据爱因斯坦的理论，星系的重力场可以弯曲光线的路径。这就是所谓的“引力透镜”效应。一个国际天文学家团队发现，这种效应与弗林德理论的预测一致，不需要暗物质。

现在正在寻找证据，证明Verlinde的理论不仅解释了牛顿动力学知识，而且表现得更好。这里出现了一些问题。天文学家弗雷德里科·莱利博士和他在欧洲南方天文台的同事们一直在研究星系中恒星的轨道，但它们的行为并不像预期的那样。

“Verlinde的理论预测内部区域的引力比牛顿动力学只是更强，”Lelli解释道。但这种影响似乎并不存在:“这似乎是一个严重的问题，”他说。

然而，Verlinde面临的最大问题是解释宇宙的“巧合”。为什么解释星系旋转曲线所需的暗物质数量与解释早期宇宙观测所需的暗物质数量一致?普林斯顿大学天体物理学家内塔·巴call教授说:“来自各种方法的暗物质观测证据都惊人地一致。”

最简单的解释是暗物质确实存在，只是还没有被发现。但是Verlinde指出他对引力本质的研究还远未完成。他说:“要解释这些影响，我们必须发展理论，使之能够描述宇宙的宇宙学演化。”“我目前正在研究这些想法，但需要一些时间。”

考虑到如果他是对的，将会有巨大的回报，许多科学家愿意放佛林德一马，我们正处在一个需要探索许多新思想的时期，这类事情需要很长时间才能解决。