编译:全志钢 引力， 或许只是个传说(上)

对于整个理论物理学界而言，一名荷兰科学家最近提出的关于引力的全新设想不啻 一声平地惊雷，打破了人们 350年来的所有想象！令苹果坠落地面的力难道只是一种幻觉？这重新点燃了关于物理学和现实之间关系的争论，并掀起轩然大波。

我认为，引力不是基本力   是它令苹果坠落，令行星旋转。是它让我们感受到重量，使我们脚踏实地，把我们如此密切地与周遭世界连在一起。从这个意义上说，还有什么比引力更强大、更真实呢？正因如此，自从现代科学于17世纪诞生以来，物理学家一直都把这种力视作我们这个世界的一个基础。诚然，在过去的几个世纪，人们对它的理解有所改变，但是，不管是牛顿的万有引力理论，还是爱因斯坦的广义相对论，抑或最近 30年才流行起来的弦理论，都把引力看作是一种真实而基本的相互作用，看作是构成我们这个世界的物质发出的一种无可质疑的力。

理论学家的难题   在物理学这个水潭里扔下石头掀起巨浪的人，是埃里克．韦尔兰德（Erik Verlinde）。在这位供职于阿姆斯特丹大学理论物理学院的学者看来，现在是对我们的引力观加以重新审视的时候了。作为全球闻名的弦理论专家，他认为如今的物理学正在错误的道路上前进，他建议要在两个方面作出彻底的转变。不，引力并不是一种基本力。就像皮球内部的压力，它只是作为封闭气体原子的集体属性存在于我们所处的宏观层面上，而一旦我们深入分子层面去一探究竟，它便消失得无影无踪。

同样，引力可能其实是某些隐蔽的微观现象的宏观表现。还不止如此！压力还是有形的物质粒子机械碰撞的结果，引力却可能只是某种近乎无形的非物体的抽象概念的化身，是在比我们所说的现实更深的层面上发生的现象导致的结果。在埃里克．韦尔兰德看来，这种令苹果坠落的力可能就是一种巨大的幻象……   这种想法疯狂吗？其实不然，要知道牛顿和爱因斯坦所阐述的引力虽然已经为人熟知，但对于理论学家们来说，仍然是一个难解之谜。

正如法国巴黎综合理工学校理论物理学中心埃米利安．迪达（Emilian Dudas）所指出的那样：“其他三种力，即电磁力、弱核力和强核力，被看作基本力是无可置疑的，因为在标准模型的统一范畴内，它们各自都与某种作用力的量子相关，而引力则要神秘得多。”困难在于为引力寻找一种既符合广义相对论又合乎量子力学要求的阐述，而这对于描绘微观现像是必须的。换句话说，必须找到一种在无穷小的世界里也有效的引力理论。埃米利安．迪尔的同事埃尔维．帕尔图什（Herve Partouche） 补充道：“历史上一贯的逻辑都是把各种基本力统一在某一个单一的范畴内，所以我们的初衷就是将应用于其他力的做法应用于引力之上，即量子化和统一化。但到目前为止还没有得到什么令人信服的结论。”

对微观进行抽象   仅仅因为这样，就要把引力从基本相互作用力的名单上删掉吗？不管怎么说，这样做可以为解决这种不兼容问题找到一条新的途径 —如果引力只是一种表面现象，那么就不必挠破头皮对广义相对论进行量子化了。因为这种理论描绘的既然是一种宏观的集体现象，那么它止步于量子世界的边界之外也就是可以理解的了。

在这位荷兰理论物理学家看来，十几年来，许多理论都为这个思路提供了支持。比如在 1995年，美国马里兰大学物理学系的特德．雅克布森（Ted Jacobson）发表了一篇著名的文章，证明广义相对论与热力学存在着令人惊奇的相似性。确切地说，爱因斯坦将时空扭曲及其物质内容相联系的方程可以诠释为热力学家们非常熟悉的一种方程，即“状态方程”。基于热力学成功的基础，这些状态方程放弃描述物理系统的微观细节，而对整个物理系统的属性进行描绘。正是因为无视气体是一种由许多四处乱窜的分子构成的集合，这些方程才得以将压力、体积及温度等诸多只在宏观层面上才会浮现出来的参数联系起来。

这种相似性促使人们对引力进行反思，或许应该把它当作一种表面现象而不是一种基本力？2002年，就职于印度天文及天体物理学大学中心的塔努．帕德马纳伯罕 (Thanu Padmanabhan)又将这种模拟向前推进了一步。他解释说：“2002年，当我开始对这个问题产生兴趣时，我觉得热力学与广义相对论之间的类似可能只是一个形式上的巧合。而后来，我认为它表现了一种深层次的联系。”

如果说通过这些证据我们理解了埃里克．韦尔兰德质疑引力基本性质的原因，那他为什么又要怀疑引力与我们这个物质世界的联系呢？在这一点上，这位理论学家的想法与 20世纪 70年代初对黑洞进行的热力学研究一脉相承。那可以说是热力学与引力的第一次邂逅，并且得出了一个惊人的结论。在努力理解物质被黑洞这些引力怪兽吞噬之后会变成什么的过程中，一些著名的物理学家，如雅各布布．伯肯斯坦(Jacob Bekenstein)和斯蒂芬．霍金(Stephen Hawking)得以证明，黑洞吞噬的信息量总是与其视界的表面积成正比，任何物质，即便是光线，一旦越过视界便无法逃脱黑洞的吸引。换句话说，黑洞内部的内容都完完整整地描绘在它的表面上。

就像一张全息图   这真是一个奇特的发现！这样说来，黑洞的视界就像是一张全息图 (这种所谓的三维视图其实只不过是物体的二维映像)，内部发生的一切都标示在其外表面上。这个结论后来便被理论学家们当作一个基本事实，以至于荷兰乌得勒支大学的杰拉德．特．胡夫特 (Gerard‘t Hooft)和美国斯坦福大学的李奥纳特．苏士侃 (Leonard Susskind)先后于1993年和1995年提议将其定为一条原理，即“全息原理”。根据这一原理，对占据一定空间区域的物理系统整体的完整描述可以由一种局限于该区域界限的理论作出。

尽管这似乎有悖常理 —也就是说，我们在看到一栋房屋的外墙时就能够知道房屋中的一切！但理论学家们还是愿意把他们的方程演绎逻辑进行到底，即使这种逻辑显得那么怪异。1997年以来，这种观点通过一项引起轰动的数学证明得到了明确。普林斯顿高等研究院的胡安‧马德西纳（Juan Maldacena）证明，在某些简化的理论性的宇宙里，所有可以被归结为引力作用的效应同样也存在于这些宇宙的边界，而在那里是没有任何引力存在的迹象的！只要去除可以建立这种联系的约束条件，就有可能把这一结论扩展到我们的世界里，所要做的只是把我们的宇宙当作一张全息图片，并且把我们熟悉的地球引力诠释为这面包裹着我们的、没有任何引力存在迹的巨大二维屏幕上发生的各种事件的结果。

在埃里克．韦尔兰德看来，所有这些迹象都表明，现在是对引力理论进行从头到脚全面审视的时候了。他敦促大家抛弃那种以某些能够产生引力的假想基本粒子作为出发点的思想，并且呼吁人们接受这样一种观点：促使苹果堕落的，是一种显性的全息现象。具体说来，他的建议是：首先，设想一面包含了宇宙构造信息的屏幕。这面屏幕的本质是什么，信息是如此编码的，它的具体内容又是怎样，这些都不重要！唯一重要的是由全息原理带来的这种观念，即信息量与屏幕区域大小是成正比的。

此外，他还向其中添加了一些关于时间与能量、质量与能量的一般概念。然后，他将所有这些要素整合成本科大学生都能掌握的几个方程，而从这些方程中便能自然地推导出牛顿的万有引力方程。这个过程就像变魔术，一开始，引力并不在他提供的原料清单之中，最后却在成品中出现了！另外还有一个意外惊喜，在推导出牛顿万有引力方程的同时，还推导出了牛顿力学理论的另一大方程，即将物体的加速度与其所受力联系起来的惯性基本定律。

埃里克．韦尔兰德并不企望人们都能详尽地理解这些计算，而是呼吁大家都来拥抱这个新的视角。根据这种视角，屏幕上所包含的信息扰动就可以解释为我们这个宇宙内各个有质量的物体之间的引力作用。“我的推论是建立在这样一个假设之上的，即在一个抽象的空间中存在着一些演变着的参数（这些参数到底是什么并不重要），通过它们的编码产生了一定量的信息，”他尝试着总结道，“而这种信息会受到具有质量的物体位置改变的影响。

作为对这一参数空间信息变化的反应，便产生了一种力。我们面临的挑战便是要证明这种力具有引力的形式。”怎样才能切实理解这样一种效应呢？怎样才能想象一种可以不通过物质媒介就进行传播的力呢？为了说明这一点，埃里克．韦尔兰德借用高分子的物理特性作了一个比喻。根据热力学的解释，在平衡状态下，这种形似面条的长分子会变成线团形，既不完全展开。因为在它可能采取的所有微观形态当中，绝大多数都会导致这样一种总体的外观热力学家们说它会使它的熵---或者说它的无序---达到最大化。

那么，当我们对这一高分子进行撞击、使其偏离其平衡状态时会发生什么情况呢？它作出的反应是产生一种对应的力试图将其带回线团状态。而这样一种力（即所谓的熵力）存在的唯一理由就是高分子具有回复到自身最恰当的微观形态的倾向。埃里克．韦尔兰德认为引力可能类似这种熵力，他解释说：“就像热力学描缯的那样，引力产生于系统回归平衡状态的倾向。”

热情．也有怀疑 虽然这一切对于外行人来说都难以理解，但必须承认埃里克．韦尔兰德的想法已经声名远扬，任何一位基本相互作用力方面的专家对他的文章至少都有所见闻。他的声名鹊起是不无道理的。正如巴黎高等师范学校理论物理学实验室的科斯塔．巴沙（Costa Bachas）所指出的：“显然，埃里克．韦尔兰德并不是那种不假思索、主观臆测的人。”不过，这无法阻止许多专家对他的态度在热情支持、谨慎尊重和保持怀疑之间摇摆。比如特德．雅克布森便直截了当地宣称：“我看不懂他的论文。”

其他一些人，比如法国奥赛理论物理学实验室的雷诺．帕朗塔尼（Renaud Parentani）则持保留态度：“如果我们认认真真地来看待埃里克．韦尔兰德的假设，他有没有对所必然的结果进行完整的探讨呢？它会不会与一些定律发生抵触，使它们难以成立呢？” 况且就其目前的版本而言，该项研究仅仅局限于重新诠释一百年前就已被爱因斯坦定律所取代了的牛顿定律。还有一些人则指出特德．雅克布森早已从热力学的角度出发重新诠释了爱因斯坦关于引力的理论，言下之意就是说埃里克．韦尔兰德的研究了无新意。

暂且不论这些批评是否公正，但还是有一止理论学家更愿意强调埃里克．韦尔兰德的思想所带来的新气息。比如2006年诺贝尔物理学奖获得者、宇宙学家乔治．斯穆特（George Smoot）就解释说：“读一读特德．雅克布森的研究报告，他似乎认定广义相对论是从热力学定律中派生出来的。而埃里克．韦尔兰德则直接设定了一个深刻的联系，并试图证明通过这种方式就能够获得我们所希望的关于引力以及运动定律的一切。”

问题的核心正在于此：埃里克．韦尔兰德并没有想把一个严密而确切的理论当作现成的答案交给我们，而是为我们指出了一条新的道路，并且证明通过这条道路完全可以超越牛顿的定律、可以消除广义相对论与量子力学之间的矛盾，甚至可以解决一些迄今仍然无解的宇宙学难题。这条道路与一个半世纪以来多位希望将“信息”这一概念确立为整个物理学基本概念的物理学家们开辟的道路是一脉相承的。

目前，要全盘接受这种新理论还为时尚早。不过，正如埃尔维．帕尔图什所说的那样：“埃里克．韦尔兰德汲取了语言更抽象更宽泛的特德．雅克布森逻辑的本质，这就使他的理论显得更加简单和明确，因而也更加必然。”就此，加拿大圆周理论物理研究所的李．斯莫林（Lee Smolin）总结道：“埃里克．韦尔兰德的论证拓宽了由特德．雅克布森开辟的前景。”

现在要知道的就是这一切到底通向何方。因为正如科斯塔．巴沙所指出的那样：“对于物理学家而言，革命始于建立起能够预见新事物的确切方程的那一刻，而不仅仅是用不同的语言对一些已知事物进行重新描述。目前，出现了一些思考，但这些思考是否能够开一个全新的时代我们还要拭目以待。”

如果是这种情况，那么令萍果堕落的力就可能失去作为基本作用力的资格，而变成我们这个宇宙中某种天晓得的信息演变的表现！这样一来，整个物理学都可能被推翻。原本，它所描述的东西即使再微小，也被认为是真实的实质的演变，而以后，它可能会变成一种证明方法，证明物质、星系、原子、人类等的真实性其实只不过在于描绘它们的信息。我们的世界观也会因此而改变---原本以为是真实的东西说到底可能只是投映在包裹着我们宇宙的一面巨大屏幕上的一幅巨大的全息图…令人眩晕的事情才刚刚开始。 待续…