我们用了几百年的引力理论出错了？暗物质可能(2)

理论间的竞争

两种理论用完全不同的方法解释了同一个现象。暗物质假定宇宙中存在我们看不见的物质，产生了额外的引力，它最可能的候选体是WIMP；而MOND理论则猜测根本没有什么暗物质，是我们的引力理论在星系尺度上根本不适用。这两种理论中，最多只能有一个是正确的。

通常，我们需要通过多种相互独立的检验才能称一个理论是正确的。比如，人类早就通过双中子星PSR B1913+16绕转时能量的损失，间接证明了引力波的存在。但是直到2016年LIGO宣布发现了引力波时，我们才能说人类发现了引力波。而MOND理论除了解释星系自转曲线之外，还能对星系的属性做出预言。

天文学家布伦特·塔利（Brent Tully）和理查德·费希尔（Richard Fisher）在1977年发表的一篇论文[5]中，提出的一个经验公式阐述了旋涡星系的光度与旋转曲线最终趋向的稳定值之间的关系。这个公式很容易就能被转换成“旋涡星系所含重子物质和它在较远距离上的自转速度的4次方成正比”，这一关系被称为重子塔利-费希尔关系（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理论恰巧就能精确导出BTFR。

塔利-费希尔关系，与重子塔利-费希尔关系类似

暗物质则完全无法预测这种关系。如果想在ΛCDM模型的框架内重现BTFR，天文学家必须从宇宙早期开始模拟星系，模拟中的星系在经过一百多亿年的演化后，或许能重现BTFR。但如果想严格重现BTFR，还要在模拟中加入非常严格的限制，并对旋涡星系的演化机制进行不那么严谨的修改。直到现在，坚持ΛCDM模型的宇宙学家还没能通过模拟完美重现BTFR。

不复存在的阿克琉斯之踵

但既然如此，ΛCDM模型又为何能成为大多数天文学家认同的理论呢？这是因为MOND理论有一个无法回避的阿喀琉斯之踵——它没能很好地符合宇宙微波背景辐射（CMB）的光谱。

宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射是现代天文学最重要的发现之一，它是宇宙大爆炸假说最重要的证据之一。宇宙学家鲁思·杜尔（Ruth Durrer）曾说过：“一个理论必须和（CMB的）数据相符。这就是它的瓶颈。”ΛCDM模型能很好地利用CMB的光谱，它甚至能通过CMB的数据计算出宇宙中含有多少暗物质。相反，MOND理论在建立之初并不能做到这一点。

不过，这一现状已经被改变了。就在去年，两位捷克理论物理学家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和汤姆·兹沃什尼克（Tom Z?o?nik）在预印本网站[6]上分享了他们对MOND理论的改进。他们在最大的宇宙尺度上添加了一个额外的场，相当于MOND理论的相对论版本（relativistic version of MOND），被称为RMOND理论。RMOND理论无需暗物质，同时也能完美预言出CMB的细节。也就是说，（R）MOND理论的阿喀琉斯之踵已经不复存在。想让RMOND理论被广泛接受，只差临门一脚。

不过，RMOND理论和ΛCDM模型一样，两者都还存在很多难以解释的问题。比如，这两者都难以完美预言星系团的运动。但是，ΛCDM模型的处境似乎更糟一些，它难以重现由观测发现，并能用MOND理论导出的BTFR。而在这一前提下，屡次被降低的暗物质反应截面上限正让ΛCDM模型变得愈加难以实现。

WIMP候选粒子的质量可能在质子质量的1倍到1万倍之间。现在，对WIMP的搜寻已经抵达了一个关键节点。不久之后，现有的大多数暗物质实验将会寻遍WIMP理论上可能存在的质量范围。如果到那时还没有发现，要么是现有的探测手段根本无法发现WIMP，要么暗物质根本不是WIMP……要么，暗物质可能根本就不存在。

随着实验的推进，暗物质变成下一个“以太”的可能性正在增加。在未来RMOND理论是否又能成为一个世纪前的狭义相对论，为我们打开一段新的物理学的黄金时代？让我们拭目以待。

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