暗物質(zhì)會(huì)和以太一樣，根本不存在嗎？

　　你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)，宇宙中的物質(zhì)大部分都是暗物質(zhì)。這種不可見(jiàn)的物質(zhì)能提供引力，讓星系保持高速自轉(zhuǎn)。幾十年來(lái)，對(duì)暗物質(zhì)的搜尋從未中斷，但直到今天，科學(xué)家們依然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。這時(shí)，一些科學(xué)家開(kāi)始認(rèn)為，接連不斷的失敗讓暗物質(zhì)看上去越來(lái)越像一個(gè)多世紀(jì)前的以太。當(dāng)時(shí)，狹義相對(duì)論徹底殺死了廣為流傳的以太假說(shuō)；而今天，是否又會(huì)有理論再次扮演這個(gè)角色呢？ 

　　撰文 | 王昱 

　　審校 | 吳非 

　　當(dāng)前宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型是ΛCDM模型，它的全稱是Λ-冷暗物質(zhì)模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。顧名思義，它假設(shè)宇宙中存在暗物質(zhì)。當(dāng)前的宇宙學(xué)家都在默認(rèn)ΛCDM模型的環(huán)境下接受教育，他們被告知宇宙中暗物質(zhì)多于重子物質(zhì)（即普通物質(zhì)）。將最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)帶入這個(gè)模型，可以計(jì)算出宇宙中重子物質(zhì)占4.9%，暗物質(zhì)占26.8%，暗能量占68.3%。 

　　幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直都在尋找暗物質(zhì)。其中最有希望的候選體是大質(zhì)量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，WIMP），這種粒子只能通過(guò)弱相互作用和引力與其他物質(zhì)產(chǎn)生作用，并且其質(zhì)量比普通粒子大一些。但從來(lái)沒(méi)人發(fā)現(xiàn)過(guò)它。 

　　本月初，在馬塞爾·格羅斯曼國(guó)際廣義相對(duì)論大會(huì)上，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室PandaX實(shí)驗(yàn)（“熊貓”實(shí)驗(yàn)）公布了PandaX-4T實(shí)驗(yàn)的首個(gè)暗物質(zhì)搜尋結(jié)果，人類又一次沒(méi)能找到暗物質(zhì)。反而，基于PandaX-4T試運(yùn)行95天的數(shù)據(jù)，暗物質(zhì)反應(yīng)截面的上限又被降低了，這意味著理論中的暗物質(zhì)更難被發(fā)現(xiàn)了。 

　　但是，在暗物質(zhì)遲遲沒(méi)能被發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，學(xué)界對(duì)ΛCDM模型的信心卻越發(fā)堅(jiān)定。2014年版的《粒子物理學(xué)評(píng)論》[1]中寫(xiě)道：“（宇宙學(xué)的）統(tǒng)一模型已經(jīng)建立起來(lái)了，似乎沒(méi)剩下多少空間能對(duì)這個(gè)范式進(jìn)行大幅度的修改?！边@一“flag”滿滿的言論很容易讓人想到一個(gè)多世紀(jì)前的“兩片烏云”。這一次，類似的情況會(huì)再次上演嗎？或者說(shuō)，暗物質(zhì)真的存在嗎？ 

　　暗物質(zhì)與MOND理論 

　　暗物質(zhì)是在解釋星系自轉(zhuǎn)曲線（galactic rotation curve）的異常時(shí)被提出的。上世紀(jì)70年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)大量星系的旋轉(zhuǎn)速度和通過(guò)引力計(jì)算的不符。按照觀測(cè)到的物質(zhì)的質(zhì)量計(jì)算，在星系外圍，星系的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該下降。但觀測(cè)到的星系自轉(zhuǎn)速度卻比引力計(jì)算的要大。于是天文學(xué)家猜測(cè)，可能存在我們看不到的物質(zhì)，它們包裹著星系，提供了額外的引力，讓星系自轉(zhuǎn)速度保持在較高水平。 

　　不含暗物質(zhì)星系的模擬（左）和含有暗物質(zhì)星系的模擬（右）（視頻來(lái)源：Wikipedia） 

　　這種我們看不見(jiàn)，卻又能提供引力的物質(zhì)，就是暗物質(zhì)。后來(lái)暗物質(zhì)理論經(jīng)過(guò)多次完善，逐漸形成了今天宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型——ΛCDM模型。暗物質(zhì)有很多種候選體，比如很輕的軸子（axion），也可能是很重的微型黑洞，或是難以被發(fā)現(xiàn)的中子星、白矮星，甚至是流浪行星。而最具希望，同時(shí)也是科學(xué)家一直在尋找的是WIMP。WIMP不會(huì)參與電磁相互作用，用電磁波進(jìn)行觀測(cè)的天文學(xué)家根本不可能直接發(fā)現(xiàn)它；而它卻又能提供引力，維持著較高的星系自轉(zhuǎn)速度。然而，幾十年來(lái)對(duì)WIMP的搜尋，其結(jié)果不過(guò)是一次又一次地證明它的發(fā)現(xiàn)難度高于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平。 

　　對(duì)星系自轉(zhuǎn)曲線的異常來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)并非唯一的解法。還有一種理論名為修改的牛頓動(dòng)力學(xué)（Modified Newtonian Dynamics），或者叫MOND理論。1983年，以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院的物理學(xué)家莫德采·米爾格若姆（Mordehai Milgrom）提出了這種理論。他指出在星系自轉(zhuǎn)曲線中，有兩點(diǎn)是暗物質(zhì)無(wú)法解釋的。第一，自轉(zhuǎn)速度并不是簡(jiǎn)單的大于引力的預(yù)測(cè)，而是在星系中心保持較為正常的水平，在遠(yuǎn)離星系中心時(shí)才會(huì)不斷上升，最終趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。這種現(xiàn)象被天文學(xué)家稱為“旋轉(zhuǎn)曲線的漸進(jìn)平坦性”。第二，異常高的旋轉(zhuǎn)速度只有在引力導(dǎo)致的加速度低于一個(gè)特定的、非常低的值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。 

　　這個(gè)特定的加速度值被米爾格若姆稱為a0，在太陽(yáng)系內(nèi)任何地方，太陽(yáng)引力產(chǎn)生的加速度都高于這個(gè)值。在測(cè)量星系邊緣的自轉(zhuǎn)速度之前，天文學(xué)家從來(lái)沒(méi)有測(cè)量過(guò)如此微弱的引力。于是米爾格若姆認(rèn)真考慮了在這一條件下，引力理論出現(xiàn)偏差的可能。 

　　在1983年發(fā)表的3篇論文[2][3][4]中，米爾格若姆對(duì)牛頓引力進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的修正（在星系尺度上，由廣義相對(duì)論計(jì)算的引力可以被簡(jiǎn)化為傳統(tǒng)的牛頓引力），并用修正后的牛頓引力重現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)曲線的特性。幾十年來(lái)，MOND理論一直都是暗物質(zhì)的替代理論。 

　　理論間的競(jìng)爭(zhēng) 

　　兩種理論用完全不同的方法解釋了同一個(gè)現(xiàn)象。暗物質(zhì)假定宇宙中存在我們看不見(jiàn)的物質(zhì)，產(chǎn)生了額外的引力，它最可能的候選體是WIMP；而MOND理論則猜測(cè)根本沒(méi)有什么暗物質(zhì)，是我們的引力理論在星系尺度上根本不適用。這兩種理論中，最多只能有一個(gè)是正確的。 

　　通常，我們需要通過(guò)多種相互獨(dú)立的檢驗(yàn)才能稱一個(gè)理論是正確的。比如，人類早就通過(guò)雙中子星PSR B1913+16繞轉(zhuǎn)時(shí)能量的損失，間接證明了引力波的存在。但是直到2016年LIGO宣布發(fā)現(xiàn)了引力波時(shí)，我們才能說(shuō)人類發(fā)現(xiàn)了引力波。而MOND理論除了解釋星系自轉(zhuǎn)曲線之外，還能對(duì)星系的屬性做出預(yù)言。 

　　天文學(xué)家布倫特·塔利（Brent Tully）和理查德·費(fèi)希爾（Richard Fisher）在1977年發(fā)表的一篇論文[5]中，提出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式闡述了旋渦星系的光度與旋轉(zhuǎn)曲線最終趨向的穩(wěn)定值之間的關(guān)系。這個(gè)公式很容易就能被轉(zhuǎn)換成“旋渦星系所含重子物質(zhì)和它在較遠(yuǎn)距離上的自轉(zhuǎn)速度的4次方成正比”，這一關(guān)系被稱為重子塔利-費(fèi)希爾關(guān)系（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理論恰巧就能精確導(dǎo)出BTFR。 

　　暗物質(zhì)則完全無(wú)法預(yù)測(cè)這種關(guān)系。如果想在ΛCDM模型的框架內(nèi)重現(xiàn)BTFR，天文學(xué)家必須從宇宙早期開(kāi)始模擬星系，模擬中的星系在經(jīng)過(guò)一百多億年的演化后，或許能重現(xiàn)BTFR。但如果想嚴(yán)格重現(xiàn)BTFR，還要在模擬中加入非常嚴(yán)格的限制，并對(duì)旋渦星系的演化機(jī)制進(jìn)行不那么嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男薷摹?/font>直到現(xiàn)在，堅(jiān)持ΛCDM模型的宇宙學(xué)家還沒(méi)能通過(guò)模擬完美重現(xiàn)BTFR。