我们用了几百年的引力理论出错了？暗物质可能

你可能听说过，宇宙中的物质大部分都是暗物质。这种不可见的物质能提供引力，让星系保持高速自转。几十年来，对暗物质的搜寻从未中断，但直到今天，科学家们依然没有发现它的踪迹。这时，一些科学家开始认为，接连不断的失败让暗物质看上去越来越像一个多世纪前的以太。当时，狭义相对论彻底杀死了广为流传的以太假说；而今天，是否又会有理论再次扮演这个角色呢？

当前宇宙学的标准模型是ΛCDM模型，它的全称是Λ-冷暗物质模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。顾名思义，它假设宇宙中存在暗物质。当前的宇宙学家都在默认ΛCDM模型的环境下接受教育，他们被告知宇宙中暗物质多于重子物质（即普通物质）。将最新的观测数据带入这个模型，可以计算出宇宙中重子物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%。

几十年来，科学家们一直都在寻找暗物质。其中最有希望的候选体是大质量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，WIMP），这种粒子只能通过弱相互作用和引力与其他物质产生作用，并且其质量比普通粒子大一些。但从来没人发现过它。

本月初，在马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上，中国锦屏地下实验室PandaX实验（“熊猫”实验）公布了PandaX-4T实验的首个暗物质搜寻结果，人类又一次没能找到暗物质。反而，基于PandaX-4T试运行95天的数据，暗物质反应截面的上限又被降低了，这意味着理论中的暗物质更难被发现了。

PandaX-4T刷新了暗物质反应截面的上限

但是，在暗物质迟迟没能被发现的同时，学界对ΛCDM模型的信心却越发坚定。2014年版的《粒子物理学评论》[1]中写道：“（宇宙学的）统一模型已经建立起来了，似乎没剩下多少空间能对这个范式进行大幅度的修改。”这一“flag”满满的言论很容易让人想到一个多世纪前的“两片乌云”。这一次，类似的情况会再次上演吗？或者说，暗物质真的存在吗？

暗物质与MOND理论

暗物质是在解释星系自转曲线（galactic rotation curve）的异常时被提出的。上世纪70年代，天文学家发现大量星系的旋转速度和通过引力计算的不符。按照观测到的物质的质量计算，在星系外围，星系的旋转速度应该下降。但观测到的星系自转速度却比引力计算的要大。于是天文学家猜测，可能存在我们看不到的物质，它们包裹着星系，提供了额外的引力，让星系自转速度保持在较高水平。

这种我们看不见，却又能提供引力的物质，就是暗物质。后来暗物质理论经过多次完善，逐渐形成了今天宇宙学的标准模型——ΛCDM模型。暗物质有很多种候选体，比如很轻的轴子（axion），也可能是很重的微型黑洞，或是难以被发现的中子星、白矮星，甚至是流浪行星。而最具希望，同时也是科学家一直在寻找的是WIMP。WIMP不会参与电磁相互作用，用电磁波进行观测的天文学家根本不可能直接发现它；而它却又能提供引力，维持着较高的星系自转速度。然而，几十年来对WIMP的搜寻，其结果不过是一次又一次地证明它的发现难度高于当时的技术水平。

对星系自转曲线的异常来说，暗物质并非唯一的解法。还有一种理论名为修改的牛顿动力学（Modified Newtonian Dynamics），或者叫MOND理论。1983年，以色列魏茨曼科学研究学院的物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）提出了这种理论。他指出在星系自转曲线中，有两点是暗物质无法解释的。第一，自转速度并不是简单的大于引力的预测，而是在星系中心保持较为正常的水平，在远离星系中心时才会不断上升，最终趋向于一个稳定值。这种现象被天文学家称为“旋转曲线的渐进平坦性”。第二，异常高的旋转速度只有在引力导致的加速度低于一个特定的、非常低的值时才会出现。

传统理论预测的（A）与观测到的（B）典型旋涡星系自转曲线对比

这个特定的加速度值被米尔格若姆称为a0，在太阳系内任何地方，太阳引力产生的加速度都高于这个值。在测量星系边缘的自转速度之前，天文学家从来没有测量过如此微弱的引力。于是米尔格若姆认真考虑了在这一条件下，引力理论出现偏差的可能。

在1983年发表的3篇论文[2][3][4]中，米尔格若姆对牛顿引力进行了一个简单的修正（在星系尺度上，由广义相对论计算的引力可以被简化为传统的牛顿引力），并用修正后的牛顿引力重现了旋转曲线的特性。几十年来，MOND理论一直都是暗物质的替代理论。

文章来源：《现代远距离教育》 网址: http://www.xdyjljygw.cn/zonghexinwen/2022/0111/714.html