撰文：
Chris Jeynes（萨里大学物理学教授）
Michael Parker（埃塞克斯大学客座教授）
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地理学家开普勒是最早考虑雪花结构的人：为什么它们如此对称？它的一边又是怎么知道另一边现已生长了多久的？
完美对称的雪花。| 图片来历：Pixabay
开普勒以为，这一切都归结于一个被称为“形状发作场”的概念，它指的是事物之所以具有某种方法或形状，是由于它们想要如此。但自那之后，这种观念就被科学界扔掉了。可是，关于雪花和类似的结构为什么会如此对称的问题，依然没有彻底被了解。
现代科学标明，这是一个多么底子的问题。看看一切的螺旋星系你就会知道，这些直径可宽达50万光年的星系，仍能保持着很好的对称性。这究竟为什么？在一篇发表于《科学陈述》上的新研讨中，咱们给出了一个解说。
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咱们知道，“电磁场”这个概念是由电场和磁场结合而成的。在新的研讨中，咱们证明了信息和熵也能以一种彻底相同的方法联络在一起，成为“信息熵”。电流会发作磁场，而改变的磁场会发作电流；信息和熵也会以相同的方法彼此影响。
熵是物理学中的一个底子概念，简略地说，它是对一个体系紊乱程度的衡量。例如，由于熵永久不会削减（无序度总是添加的），所以你可以把一个生鸡蛋变成炒鸡蛋，但反过来却不可。假如你要传递信息，熵也一定会添加——一通电话是要支付熵的价值的。
光波具有电场（E）和磁场（B）。| 图片来历：Parker & Jeynes
在新的研讨中，咱们证明了熵和信息可以被视作为场，并且与几许有关。咱们可以先来幻想一下彼此环绕在一起的DNA双螺旋，其实光波也具有类似的结构，只不过是用电场和磁场来替代两条DNA链罢了。通过运用一些数学方法，咱们证明了信息和熵之间的联系可以用相同的几许图形来表明。
咱们想要测验的是，咱们的理论是否能用于猜测实际国际中的事物，所以决议试着用咱们的理论来核算将一种方法的DNA转化成另一种方法需求多少能量。究竟，DNA是一种螺旋，是信息的一种方法。
两种方法的DNA。| 图片来历：Parker & Jeynes / Scientific Reports
实际上，大约在16年前，就有科学家对这个问题进行过一系列十分精确的丈量。在试验中，研讨人员将弯曲的DNA分子拉直，然后用光学镊子夹住它的两头，将其旋转了4800圈。像上图所示的那样，DNA从一种方法被翻转成了另一种方法。然后研讨人员可以核算出这两种方法之间的能量差。
运用咱们的理论也能核算出这个能量差：咱们知道了这两个不同版别的DNA分子的熵，然后通过熵和温度的乘积然后核算出了能量，得到了彻底相同的核算成果。从这个成果来看，咱们的理论好像是建立的。
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从数学角度上看，螺旋星系也是一种双螺旋，它们与DNA有着相同的几许形状。
一个螺旋星系，与之双臂堆叠的对数螺线。| 图片来历：Parker & Jeynes
咱们的理论直接证明了为什么螺旋星系的两条臂是对称的，这是由于与其他的场相同，信息熵场也能发作力。星系中的恒星摆放是由熵的力气而编排成这样一对螺旋的，其意图是为了使熵最大化。
除了这种定性的结论，咱们也希望能得到一些确凿的数字。因而，咱们决议依据新的理论来核算银河系的质量。
咱们知道，假如依据恒星在星系边际移动的速度来核算，咱们会得出银河系的质量大约为1.3万亿个太阳质量的成果。但奇怪的是，这实际上比星系中的一切可见恒星的质量要大得多。
为了可以解说这种差异，并解说恒星的运动速度为什么比预期的要快得多，地理学家提出了“暗物质”的概念，以为是由于星系中存在这种看不见的暗物质，才对恒星施加了额定的引力。
在咱们的理论中，咱们需求知道星系的熵才干进行核算。好在数学物理学家彭罗斯（Roger Penrose）早就发现星系的熵主要由星系中心的超大质量黑洞的熵决议。
而黑洞的质量是已知的，约为430万个太阳质量。当咱们知道了黑洞的质量，就可以通过一个方程核算出熵，这个方程是霍金（Stephen Hawking）推导得出的，他还发现了怎么核算黑洞外表（即作业视界）的“温度”。
假如能给黑洞的视界指定一个“温度”，为什么不给星系也指定一个温度呢？要知道，黑洞视界以内的任何东西都是不具有温度的。在新的论文中，使用所谓的“全息原理”，咱们以为这是一个合理的主意。因而，咱们用信息熵方程来核算星系的全息温度。
然后作业就变得简单了。由于星系的能量是由它的熵和温度的乘积给出的，而一旦咱们知道了能量，就能通过爱因斯坦的质能方程而核算出质量。不过这样核算出的星系质量并不彻底精确，但鉴于咱们的星系模型是被高度简化过的，因而这一成果也是在可接受的差错规模之内。
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星系的信息熵几许不只解说了熵的力是怎么发明并保持了这样美丽的对称形状，并且还解说了它所包括的一切质量。这意味着咱们底子不需求暗物质。依据咱们的模型，星系熵发作了如此许多的额定能量，以至于它改变了观测到的星系动力学，导致星系边际的恒星运动速度超越预期。而这正是地理学家想用暗物质来解说的问题。这种能量不能直接以质量的方法被观测到，但它的存在必定得到了地理观测的支撑，这就解说了为什么对暗物质的查找至今仍一无所得。
虽然支撑暗物质的研讨有许多。但咱们的理论对观测成果提出了另一种解说，并且这是一种无需提出新物理学的解说。当然，咱们还需求进行更具体的作业来证明观测的实在复杂性也能被成功地模仿。
咱们以为开普勒所寻觅的那种“形状发作场”的确存在，它实际上是信息和熵彼此交织的成果。通过四个绵长的世纪，好像咱们总算证明了，开普勒是正确的。
文章转自大众号原理，转载已获授权。
