“涌现引力”可能迫使我们改写物理定律

涌现引力的想法仍然是新的，需要在计算中进行大量假设才能使其发挥作用。但如果实验证据证明它是真实的，我们就需要完全重写物理定律。

2009 年，理论物理学家 Erik Verlinde 提出了对引力的彻底重新表述。在他的理论中，重力不是一种基本力，而是更深层次隐藏过程的表现。但此后的 15 年里，这个想法并没有得到太多的实验支持。那么我们下一步该去哪里呢？

涌现在整个物理学中都很常见。例如，温度的特性并不是气体的固有特性。相反，它是无数微观碰撞的自然结果。我们拥有将这些微观碰撞与温度相匹配的工具；事实上，物理学的一个完整分支，即统计力学，使这些联系为人所知。

在其他领域，微观行为和突现属性之间的联系并不那么清楚。例如，虽然我们了解超导背后的简单机制，但我们不知道微观相互作用如何导致高温超导体的出现。

Verlinde 的理论基于斯蒂芬·霍金和雅各布·贝肯斯坦在 20 世纪 70 年代的观察：黑洞的许多特性可以用热力学定律来表达。然而，热力学定律本身是从微观过程中产生的。对于韦尔林德来说，这不仅仅是一个巧合，它表明我们所感知的重力可能是从某些更深层次的物理过程中产生的。

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2009 年，他发表了他的理论的第一个版本。至关重要的是，我们不需要知道那些更深层次的过程是什么，因为我们已经有了用于描述涌现属性的工具包——统计力学。因此，韦尔林德将这些技术应用于重力，并得出了重力的替代公式。因为引力也与我们的运动、惯性、空间和时间的概念联系在一起，这意味着我们的整个宇宙也是从这些更深层次的过程中产生的。 

起初，这并没有带来什么结果。重写已知的物理定律虽然有趣，但不一定能提供更深入的见解。但在 2016 年，韦尔林德扩展了他的理论，发现含有暗能量的宇宙自然会导致空间出现一种新的属性，从而使其能够在低密度区域向内推进。

这一发现引起了一阵兴奋，因为它为暗物质提供了另一种解释。目前，天文学家认为暗物质是一种神秘的、看不见的物质，它构成了每个星系所有质量的大部分。虽然这一假设已经能够解释大量的观测结果，从星系内恒星的旋转速度到宇宙中最大结构的演化，但我们尚未识别出这种神秘的粒子。

在韦尔林德的新兴引力图中，一旦进入低密度区域（基本上是太阳系之外的任何区域），引力的表现就与我们从爱因斯坦广义相对论中预期的不同。在大尺度上，空间本身存在一种自然的向内拉力，这迫使物质比其他情况更紧密地聚集在一起。

这个想法很令人兴奋，因为它让天文学家找到了一种方法来测试这个新理论。观察者可以将这种新的引力理论放入星系结构和演化模型中，以发现它与暗物质模型之间的差异。

然而多年来，实验结果好坏参半。当谈到恒星的自转速度时，一些早期的测试倾向于新兴引力而不是暗物质。但最近的观察并没有发现优势。暗物质还可以解释比星系旋转速度更多的事情。星系团内的测试发现，新兴引力不足。

这并不是新兴引力的终结。这个想法仍然很新，需要在计算中进行大量假设才能使其发挥作用。如果没有一个完全实现的理论，就很难判断它对星系和星团行为的预测是否准确地代表了新兴引力所告诉我们的内容。天文学家仍在尝试开发更严格的测试，例如使用来自宇宙微波背景的数据，以真正检验该理论。

新兴引力仍然是一个有趣的想法。如果这是正确的，我们将不得不从根本上重塑我们对自然世界的理解，并通过更深、更复杂的相互作用的视角来看待重力和运动——甚至更基本的概念，比如时间和空间。但就目前而言，这仍然只是一个有趣的想法。只有时间和广泛的观察测试才能告诉我们我们是否走在正确的道路上。

最初发布于Space.com。