熵引力:一种新兴的引力理论解读

我在过去20年左右的物理学基础领域看到的最具启发性的新思想之一是,引力并非一种基本相互作用,而是由熵的增加引起的。这被称为熵引力。但是……什么的熵呢?嗯,今天我有一篇有趣的新论文,它提供了一个可能的答案,并且可能真的会推动该领域向前发展。让我们来看一看。

高三解读:

想象一下我们物理课上学的四大基本力:强力、弱力、电磁力、引力。我们一直认为它们是宇宙“最底层”的规则,就像游戏里的源代码一样,不能再被分解了。但是,这篇文章提出了一个非常颠覆性的想法:引力可能不是“源代码”,而是一个“游戏效果”。就像水的“湿润”不是单个水分子的基本属性,而是大量水分子聚集后才表现出来的“涌现”现象一样,引力可能也是由某种更深层次的东西“涌现”出来的。

这个“更深层次的东西”,作者说可能和“熵”有关。大家在化学课上学过“熵”,通常理解为“混乱度”。这个理论认为,宇宙万物都有自发地从有序变无序的倾向(熵增原理),而引力这种让物体相互吸引的现象,可能就是这个“追求混乱”的宏观表现。这就引出了一个核心问题:如果引力是熵增加的结果,那到底是“什么东西”的熵在增加呢?这篇文章就是要探讨一篇关于这个问题的最新研究。

引力实际上是由熵引起的,这个说法乍一听很疯狂,但你对引力了解得越多,它就变得越发可信。例如,黑洞可以被著名地描述为具有熵和温度的热力学物体。这非常令人困惑,因为熵和温度真的不是你期望在爱因斯坦的广义相对论中出现的量,广义相对论是关于时空、曲率等等的。

高三解读:

为什么说这个“疯狂”的想法有其合理性呢?物理学家们发现了一个巨大的线索——黑洞。我们学到的引力理论是爱因斯坦的广义相对论,它把引力描述为时空的弯曲,就像一个大铁球放在一张橡皮膜上,会让膜凹陷一样。这个理论里只有时空、物质、能量这些概念。

然而,霍金等人的研究发现,黑洞这个纯粹由引力构成的天体,竟然可以用热力学来描述!它有自己的“温度”(霍金辐射),也有自己的“熵”(贝肯斯坦-霍金熵)。这就好比你研究一个几何图形,却发现它有“味道”和“颜色”一样,完全是跨领域的属性。熵和温度是描述大量粒子统计行为的(比如气体分子的混乱运动),而广义相对论是描述光滑连续的时空的。这两个风马牛不相及的理论能在黑洞上统一,让物理学家们强烈怀疑,引力和热力学之间一定存在着我们尚未理解的深刻联系。熵引力理论,正是试图解释这个联系的尝试。

然后在1990年代,泰德·雅各布森指出,存在更普遍的情况,不仅仅是黑洞,在这些情况下,人们可以将爱因斯坦的方程重新表述为热力学定律,包含熵、压力等等。快进10年,我们有了埃里克·弗林德,他从热力学推导出了牛顿定律。同样,这还不是完整的广义相对论,但正在逐渐接近。

高三解读:

这个想法不是空中楼阁,而是一步步发展起来的。继黑洞这个特例之后,一位叫雅各布森的物理学家发现,不只是黑洞,在更普遍的条件下,爱因斯坦那套复杂的引力场方程(广义相对论的核心),竟然可以被“翻译”成我们熟悉的热力学定律,比如 $PV=nRT$ 这种感觉的公式。这就好像发现一部复杂的莎士比亚戏剧的剧本,其内核逻辑竟然和一本简单的童话书是一样的,这暗示着背后可能有共同的“作者”。

又过了十年,另一位叫弗林德的物理学家更进了一步。他干脆反过来,从热力学和熵增原理出发,成功地推导出了我们高中学的牛顿万有引力定律($F = G\frac{m_1 m_2}{r^2}$)。虽然牛顿定律只是广义相对论在低速、弱引力情况下的近似,但这已经是一个巨大的成功了。它证明了从“混乱度增加”这个基本原则出发,真的可以得到“物体相互吸引”这个我们熟知的引力现象。这让熵引力理论从一个纯粹的哲学思辨,变成了一个有数学支持的物理假说。

弗林德喜欢使用的类比是某种由长聚合物构成的材料,如果你给它们加热,它们会收缩,因此产生一种类似吸引力的力。弗林德深受收缩毛衣的启发,抱歉,我是说弦理论,但他从未真正解释过引力到底是怎么回事。

高三解读:

为了让大家理解这个抽象的概念,弗林德举了一个很形象的例子:橡皮筋(或者由长链分子构成的材料)。当你拉长一根橡皮筋时,内部的分子链从混乱卷曲的状态被拉直,变得更有序,也就是“熵”减小了。根据熵增原理,系统不喜欢这种有序状态,会自发地想恢复到混乱状态,于是就产生了一股“回缩”的力。如果你给橡皮筋加热,分子的热运动加剧,它们会更倾向于混乱卷曲,所以回缩的力会更大。

熵引力的思想与此类似:两个物体之间的空间里,可能充满了某种我们看不见的东西(比如后面会提到的“量子比特”)。当物体存在时,它们会使得周围这些东西变得“有序”一些(熵降低)。为了让整个宇宙的“总混乱度”尽可能大,系统会倾向于让这两个物体的“有序区域”合并,这样总的有序区域就变小了,无序区域变大了,总熵就增加了。这种“熵增的趋势”在宏观上看来,就是两个物体在相互靠近——也就是我们所说的“引力”。不过,弗林德当时并没有说清楚,构成空间背景的这些“长聚合物”究竟是什么。

问题是,如果你谈论熵,你必须谈论“某物”的熵。例如,在气体中,是气体分子运动的熵。我们也可以谈论,比如说,内燃机中化学反应的熵,或者磁矩的熵,但是,是什么的熵导致了引力?

高三解读:

这里就回到了最开始的核心问题。熵不是一个独立存在的东西,它必须是某个具体系统的属性。就像我们说“速度”,必须是“汽车的速度”或“风的速度”一样;我们说“熵”,也必须是“一杯水的熵”或“一盒气体的熵”。

当我们说气体熵增加,我们指的是气体分子可以占据的位置和运动状态变多了,变得更混乱了。当我们说冰融化成水熵增加,我们指的是水分子的排列方式从固定的晶格结构变成了可以自由流动的无序状态。那么,如果引力是熵增加引起的,我们必须回答:宇宙空间里,到底是什么东西在变“乱”?是空间本身吗?空间是由什么组成的?这个问题不解决,熵引力理论就只是一个没有根基的空中楼阁。

这篇新论文的作者现在提出了一个具体的答案。他们说,假设空间被带有自旋的量子比特所占据,也就是许多小箭头。我们之前几次讨论过这个想法。这就是“万物源于量子比特”(it from qubit)计划,即一切,你我、芝士蛋糕,在某种程度上都是一个量子计算机。啊等等。如果芝士蛋糕是量子计算机,那就能解释为什么它在被观察时消失得那么快了。等一下,我去投稿给《自然》杂志……

高三解读:

这篇新论文终于给出了一个大胆的猜测来回答上面的问题。他们认为,我们所说的“真空”或“空间”,其实不是空的,而是由无数最基本的信息单位——“量子比特”(qubit)组成的海洋。大家可能听说过计算机的“比特”(bit),是0或1。量子比特是它的升级版,除了是0或1,还可以是0和1的“叠加态”,拥有更丰富的信息。

论文进一步假设,这些量子比特还具有“自旋”属性。你可以把“自旋”想象成每个量子比特都自带一根小小的指南针,它的箭头(自旋方向)可以随意指向任何方向。这个“万物源于量子比特”的想法是物理学前沿的一个热门方向,它认为宇宙的本质不是物质,不是能量,而是信息。世间万物,包括我们自己,都是由这些最基本的信息单元通过某种方式“编织”出来的。(后面关于芝士蛋糕的笑话,是在玩量子力学里“观察者效应”的梗,即观察行为本身会影响系统状态,这里可以轻松一笑而过。)

但回到引力和量子比特。他们现在说,如果一个质量存在于这个量子比特环境中,那么它会使自旋的方向轻微对齐。你可以在这张图片中看到这一点。为什么?嗯,这是他们做出的假设。如果自旋对齐了,它们就更有序,所以质量周围的熵就更低。但现在的情况是,如果你把两个质量放在一起,那么自旋对齐的总区域就会减小。这意味着总熵增加了。所以,熵的增加会吸引质量相互靠近。然后他们证明了这会得出牛顿定律。

高三解读:

这正是这篇论文的核心思想,也是对“是什么在变乱”这个问题的正面回答。让我们用一个模型来理解:

1. 宇宙的“背景”: 想象整个宇宙空间铺满了一层极其微小的、可以自由旋转的指南针(量子比特),它们的指向完全随机,杂乱无章。这是一个非常“混乱”的状态,也就是高熵状态。

2. 放入一个物体: 现在,我们在这个空间里放一个有质量的物体(比如地球)。根据论文的假设,这个物体的质量会像一块磁铁一样,对周围的“小指南针”产生影响,让它们不由自主地朝着某个方向大致对齐。于是,地球周围就形成了一个“指南针”排列相对整齐的区域。这个区域内部,混乱度降低了,也就是低熵区域。

3. 放入两个物体: 如果我们再放入一个月球,它也会在自己周围形成一个低熵的“整齐”区域。现在宇宙中有两个独立的“整齐”区域。

4. 引力的“真相”: 宇宙的根本大法——熵增原理,希望总的混乱度尽可能大。系统有两个选择:要么保持地球和月球分离,维持两个独立的“整齐”区域;要么让地球和月球靠近。当它们靠近时,它们的“整齐”区域会发生重叠。重叠后的总“整齐”区域的面积,会小于之前两个独立区域的面积之和。这意味着,“混乱”区域变大了,整个系统的总熵增加了!因为系统总是自发地朝向熵增的方向演化,所以这种趋势就表现为一股让地球和月球相互靠近的“力”——这就是他们认为的引力。论文的作者通过数学计算,证明了这个模型确实可以推导出正确的牛顿万有引力定律。

单个质量降低局部熵 M 两个质量靠近,总熵增加 M₁ M₂ 重叠的低熵区域 总有序度降低 → 总熵增加

核心思想示意图:(左) 单个质量 M 使周围随机的“自旋”变得有序,形成一个低熵区域。 (右) 两个质量 M₁ 和 M₂ 靠近时,它们的低熵区域重叠。重叠后的总有序区域比两个分开的区域之和要小,这意味着整个系统的无序程度(总熵)增加了,这个熵增的趋势表现为引力。

几个月前我们讨论过一个类似的想法,但在那里,数学计算行不通。在这种情况下,我认为数学实际上是正确的。作者还说,如果这个想法是正确的,它会做出一些实验性预测。最值得注意的是,如果他们说的是正确的,那么引力本身不具有量子属性。即使它来自量子比特,它也是一种平均的、宏观的效果。这意味着寻找量子引力效应的实验可以排除它。他们还说,这种量子比特环境会导致在我们不期望的地方出现退相干。

高三解读:

一个物理理论好不好,不能只看它是否自洽,还要看它能不能做出可以被实验检验的“预言”。这个理论就做出了两个重要的预言:

1. 引力可能没有“量子化”: 主流观点认为,引力和其他三种基本力一样,在微观层面也是由交换粒子来传递的,引力的传递粒子被称为“引力子”。许多耗资巨大的实验都在寻找引力的量子效应(比如探测单个引力子)。但这个理论认为,引力是一种“宏观统计效应”,就像温度一样。我们能测量一个分子的速度,但不能测量它的“温度”,温度是大量分子平均动能的体现。同样,引力也是大量量子比特统计行为的宏观体现,所以可能根本不存在单个的“引力子”。如果这个理论是对的,那么那些寻找引力子的实验注定会失败,这本身就是一种检验。

2. 可能会导致额外的“退相干”: “退相干”是量子世界的一个现象,指的是一个量子系统(比如一个处于叠加态的量子比特)因为与环境发生了相互作用,从而失去了它的量子特性,变成了经典世界里的确定状态(比如从“既是0也是1”变成了“就是0”)。如果宇宙真的充满了这种量子比特的海洋,那么其他量子系统在空间中穿行时,就免不了会和这个“海洋”发生相互作用,从而比我们预期的更快地发生“退相干”。这为科学家们提供了一个可能的探测方向。

话虽如此,我认为我们应该将他们的提议理解为物理学家所说的“玩具模型”,以及在创业领域中所说的“原理验证”。这个想法不具备恢复爱因斯坦理论所需的所有对称性,所以我们知道它不可能是正确的。这就是为什么我在扯淡计上给它打8分(满分10分)。但是,这是一个有潜力的起点,我很好奇是否有可能进一步发展这个想法。

高三解读:

作者在这里给出了一个相对客观的评价。她承认这个模型目前还很初级,称之为“玩具模型”。在物理学里,“玩具模型”指的是一个被高度简化的理论,它能抓住某个核心思想并展示其可行性,但忽略了很多现实世界的复杂细节。就像我们为了研究抛物线运动,会把物体看作一个质点,忽略空气阻力一样。这个熵引力模型成功地从熵推导出了牛顿引力,这是它的“原理验证”成功之处。

但是,它目前还无法推导出更精确、更普适的爱因斯坦广义相对论。广义相对论背后有非常深刻和严格的“对称性”要求(比如“广义协方差”),这个简单的模型还不满足这些要求。所以,它肯定不是最终的正确理论。作者给它在“扯淡计”(一个幽默的说法,评估一个理论的靠谱程度)上打了8分(10分代表最不靠谱),意思是它虽然很有启发性,但离成为一个成熟理论还差得很远。不过,它可能是一个非常有价值的“起点”,未来的研究可以在这个基础上进行修正和完善。

大多数物理学家似乎非常确信,引力是一种量子相互作用,类似于粒子物理学标准模型中的其他相互作用。它的媒介粒子是假想的引力子。我一直觉得他们对此如此确定相当令人费解。就我个人而言,对于引力是基本的还是从其他东西涌现出来的问题,我尚未做出决定。我真的认为这个问题尚无定论,双方都有很好的论据。

高三解读:

这里作者表达了她自己的观点,并指出了当前物理学界的主流看法。绝大多数物理学家走的还是“量子化引力”的道路,他们坚信引力和其他力一样,在微观上也是量子化的,并且有对应的“引力子”存在。“标准模型”是描述强力、弱力、电磁力的非常成功的理论,物理学家们自然希望把引力也纳入这个框架,实现四大力的“大一统”。

然而,作者对此持开放态度。她认为,“引力是基本力”(主流观点)和“引力是涌现现象”(熵引力等理论)这两种可能性都存在,双方的论据都很充分,现在就下定论还为时过早。科学的魅力就在于此,对于终极问题,永远存在着不同路径的探索和争论。

如果引力真的来自熵,那么我的办公室基本上就是一个正在形成中的黑洞。

高三解读:

这是一个物理学家的自嘲式幽默。办公室通常都很乱,根据熵增原理,它的熵(混乱度)总是在不断增加。如果引力真的和熵有关,那么一个熵极高的地方(比如一个乱糟糟的办公室)开玩笑地说,就有点像一个引力极强的物体——黑洞了。这当然只是一个比喻,帮助我们以轻松的方式记住“引力与混乱度相关”这个核心概念。


(后续内容为商业广告,与科学讨论无关,故在此省略。)