那些暗物質(zhì)的反對(duì)者

謝懿

只要談及宇宙，大多數(shù)宇宙學(xué)家都會(huì)告訴你，你看到的絕非是全部。事實(shí)上，對(duì)宇宙大爆炸余輝的最新觀測(cè)表明，超過84%的宇宙物質(zhì)是另類的“黑暗”粒子，不同于構(gòu)成我們?nèi)粘Ｊ澜缰谐Ｒ娢矬w的普通原子。

根據(jù)目前正統(tǒng)的觀點(diǎn)，暗物質(zhì)主導(dǎo)了星系、星系團(tuán)和宇宙更大尺度結(jié)構(gòu)的形成。也正是暗物質(zhì)的引力維系住了這些系統(tǒng)，使之免于瓦解。在迄今觀測(cè)到的無數(shù)星系中，以恒星繞星系中心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度之快，單靠該星系中的發(fā)光物質(zhì)根本不足以束縛這些恒星。這暗示存在大量不可見的物質(zhì)維系著星系。此外，通過把暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的比例按照5∶1設(shè)定，對(duì)宇宙的計(jì)算機(jī)模擬能再現(xiàn)出大部分我們今天能見到的宇宙結(jié)構(gòu)。

然而，這里也存在一個(gè)重大的弊端。到目前為止，還沒有人探測(cè)到一個(gè)暗物質(zhì)粒子，也沒有人能肯定暗物質(zhì)到底由什么構(gòu)成。美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的天文學(xué)家斯泰西·麥高問道：“為什么所有的暗物質(zhì)搜尋都空手而歸？”他的回答與常規(guī)的觀點(diǎn)相悖：“也許暗物質(zhì)根本就不存在?！?/p>

在過去的20年里，麥高一直無奈地扮演著懷疑者的角色。和他的大多數(shù)同行一樣，他曾是一個(gè)暗物質(zhì)的擁護(hù)者。但從20世紀(jì)90年代中期開始，他發(fā)現(xiàn)根據(jù)暗物質(zhì)做出的預(yù)言與他在星系中觀測(cè)到的現(xiàn)象并不相符，由此逐漸對(duì)其失去了信心。

相反，麥高正在思考另一個(gè)想法，被稱為修改牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）。雖然許多天文學(xué)家認(rèn)為它褻瀆“神”明，但MOND能和暗物質(zhì)模型一樣成功地描述星系中恒星和氣體的運(yùn)動(dòng)。不需要假想中的新型物質(zhì)，這個(gè)理論僅僅增強(qiáng)了牛頓引力定律中引力的強(qiáng)度。如果引力以不同于我們此前所想的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，那么MOND的倡導(dǎo)者認(rèn)為，在不需要引入暗物質(zhì)的前提下，也能夠解釋星系的動(dòng)力學(xué)以及宇宙中其他令人費(fèi)解的現(xiàn)象。

改變規(guī)則

30多年前，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的理論物理學(xué)家莫爾德艾·米爾格龍?zhí)岢隽薓OND理論，用來替代暗物質(zhì)。當(dāng)時(shí)，米爾格龍正在研究其他星系中恒星的速度。通常情況下，你會(huì)預(yù)期靠近星系中心的天體運(yùn)動(dòng)得較快，而距離星系中心隨著到星系中心距離的增加，恒星的速度保持恒定不變。

美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的天文學(xué)家斯泰西·麥高，他曾是暗物質(zhì)的擁護(hù)者。

如果這一勻速轉(zhuǎn)動(dòng)是由暗物質(zhì)造成的，那就需要對(duì)這些不可見物質(zhì)的分布進(jìn)行出奇精準(zhǔn)的調(diào)整。米爾格龍認(rèn)為，這是一個(gè)“極端精調(diào)”的問題，就像把100塊積木隨手扔到地板上，結(jié)果它們恰好堆成了一座城堡。他認(rèn)為，MOND為此提供了一個(gè)更合理的解釋，你不再需要不可見的質(zhì)量。通過修改我們對(duì)引力的認(rèn)識(shí)就能得到同樣的效果。

類似于愛因斯坦的引力理論——廣義相對(duì)論，米爾格龍的智慧結(jié)晶MOND也建立在牛頓引力的基礎(chǔ)之上。在引力不太強(qiáng)的地方，廣義相對(duì)論的預(yù)言和牛頓引力如出一轍，區(qū)別只在極端環(huán)境下——例如黑洞邊緣——才會(huì)出現(xiàn)。MOND的情況也類似，它會(huì)在引力極其微弱的地方有別于牛頓引力。

例如，牛頓定律在地球表面附近以及描述太陽系行星上非常成功，這些地方的引力相對(duì)較強(qiáng)。然而，對(duì)于描述星系中恒星的運(yùn)動(dòng)，牛頓引力就有些力不從心了。由于恒星的間隔很大，那里的引力要弱得多。米爾格龍注意到，在與之類似的彌散系統(tǒng)中，當(dāng)引力加速度小于一個(gè)特定的閾值——10-10米/秒2——時(shí)，牛頓定律會(huì)開始失效，做出不可信的預(yù)言。

米爾格龍得出了一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，即MOND公式，來描述在引力和加速度的共同作用下一個(gè)天體的運(yùn)動(dòng)速度是多少。簡(jiǎn)單地說，當(dāng)加速度大于10-10米/秒2時(shí)，你會(huì)得到牛頓的萬有引力定律;當(dāng)加速度小于這個(gè)閾值時(shí)，你就會(huì)得到MOND。該公式還提供了介于這兩種物理機(jī)制之間的平滑過渡區(qū)域。

謹(jǐn)慎接受

1983年，當(dāng)米爾格龍發(fā)表有關(guān)MOND的論文時(shí)，迎接他的是冷漠。這一反應(yīng)在很大程度上一直延續(xù)至今?！耙婚_始，幾乎每個(gè)人都忽視了MOND，”米爾格龍回憶說，“這雖然不公平，但也是人之常情。‘異端’的學(xué)說總要度過一個(gè)困難時(shí)期。”

這也正是麥高當(dāng)時(shí)所做的。他第一次聽說MOND是在1995年，當(dāng)時(shí)他是英國(guó)劍橋大學(xué)的博士后研究員，米爾格龍正好去那里演講。麥高差一點(diǎn)就沒去聽，因?yàn)樗幌朐谕品f有引力定律的“瘋狂”演講上浪費(fèi)時(shí)間。

但他還是去了，當(dāng)米爾格龍談及低表面亮度星系時(shí)，引起了他的興趣。相比類似銀河系這樣的正常旋渦星系，低表面亮度星系包含的恒星要少得多。這些星系是旋渦星系的縮小稀釋版，恒星非常稀疏，因此引力很微弱，是檢驗(yàn)MOND的理想場(chǎng)所。米爾格龍使用MOND預(yù)言了這些星系中恒星的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

當(dāng)時(shí)，麥高正在研究低表面亮度星系，他認(rèn)為自己手上已有的數(shù)據(jù)能“一勞永逸地否定這個(gè)愚蠢的想法”。他把米爾格龍的預(yù)言與他的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果和他料想的恰好相反。這一發(fā)現(xiàn)震驚了麥高。

作為暗物質(zhì)的忠實(shí)信徒，他幾乎無法入睡，因?yàn)樗噲D弄清楚MOND的古怪預(yù)言究竟是如何被證實(shí)的，而這本該是佐證暗物質(zhì)的證據(jù)。他花了差不多近一個(gè)星期來思考，最終平復(fù)下來并接受了這一事實(shí)：MOND在這一案例上的成功也許并非僥幸。

此后，麥高致力在各種天文和宇宙學(xué)條件下檢驗(yàn)MOND，試圖搞清楚米爾格龍的這個(gè)想法到底能在多嚴(yán)格的程度上成立?！拔业慕巧恢笔强陀^的觀察者?！丙湼哒f?；谄袷占降淖C據(jù)，在星系動(dòng)力學(xué)方面，MOND可以做出眾多正確預(yù)言。但有一個(gè)原因使得它仍然無法成為主流理論。

在描述更大尺度的宇宙方面，例如星系團(tuán)，特別是由幾十個(gè)明亮星系和數(shù)百個(gè)暗弱星系組成的富星系團(tuán)，MOND的表現(xiàn)并沒有得到認(rèn)可。麥高承認(rèn)，MOND對(duì)富星系團(tuán)的預(yù)言差了2倍，這意味著你需要2倍的質(zhì)量來解釋觀測(cè)到的星系運(yùn)動(dòng)。

為了彌補(bǔ)這一缺陷，一個(gè)想法是這些星系團(tuán)中可能擁有意料之外的大量中微子——另一種難以捉摸的不可見粒子。但不同于暗物質(zhì)粒子，中微子是普通物質(zhì)，已知它們會(huì)大量存在。如果宇宙能把足夠多的普通物質(zhì)隱藏于中微子中，就可以在不需要暗物質(zhì)的情況下解決這個(gè)問題。

MOND的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它沒有提供令人信服的理論基礎(chǔ)來解釋為什么會(huì)出現(xiàn)MOND的有關(guān)效應(yīng)。雖然有一些理論可以解釋MOND背后的工作機(jī)制，但沒有人知道（如果有的話）這些理論中哪個(gè)是正確的。米爾格龍更樂意把這些不足視為契機(jī)，希望由此發(fā)展出一個(gè)更為一般的理論，可以包含廣義相對(duì)論和MOND的重要特性，進(jìn)而消除暗物質(zhì)。2004年，以色列希伯來大學(xué)的雅各布·貝肯斯坦提出了一個(gè)相對(duì)論性的MOND理論，5年之后米爾格龍也提出了自己的相應(yīng)版本。貝肯斯坦的理論很有效，但就像MOND一樣，也無法解釋真正大尺度結(jié)構(gòu)的行為。也許有聰明人可以成功地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但目前還做不到。

“這是一個(gè)真正困難的問題，”麥高承認(rèn)，“我至少可以想象出一個(gè)更一般的理論，它包括廣義相對(duì)論和MOND，其中MOND適用于一種特殊的情況，而廣義相對(duì)論則適用于其他的情況。”他本人也著手進(jìn)行了嘗試，但一直沒有成功。有一些人認(rèn)為，這并不是一個(gè)值得去攻關(guān)的問題。不幸的是，只要涉及修改引力，宇宙學(xué)家的態(tài)度大都如此。

非主流

對(duì)逆潮流的MOND理論的研究使麥高在職業(yè)生涯中遇到很多困難以及批評(píng)?！氨惠p視是家常便飯，”他打趣道，“新一代的學(xué)生從小就相信暗物質(zhì)，他們都認(rèn)為我一定是想入非非了?！?/p>

盡管如此，并非只有麥高和米爾格龍?jiān)谡J(rèn)真而嚴(yán)肅地對(duì)待MOND。其他受人尊重的物理學(xué)家也加入了這一行列，總數(shù)已經(jīng)超過了100人。

讓麥高感到振奮的是，和其他來來往往的新引力理論不同，MOND的持久力非常好。盡管在過去30年里付出了不懈的努力，但仍沒有人能明確地否定它。但麥高也承認(rèn)，到最后“審判”的時(shí)候，即便是再流行的理論也無濟(jì)于事。畢竟，科學(xué)不是為了達(dá)成共識(shí)而進(jìn)行的談判，它是由觀測(cè)數(shù)據(jù)來決定的法則。

這也正是麥高一直所專注的——數(shù)據(jù)。盡管這已經(jīng)把他送入了一段格外曲折的旅程，但他只跟隨數(shù)據(jù)前行。他的大多數(shù)研究都涉及星系，這正好也是他的專長(zhǎng)。他把自己對(duì)低表面亮度星系的研究拓寬到了所有類型的各種星系，例如密度更高、表面亮度更高、包含恒星也更多的旋渦星系和不規(guī)則星系，后者不具有螺旋或者橢圓的形狀。他的發(fā)現(xiàn)是，MOND在每種星系中都運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

與預(yù)期相反，觀測(cè)到的星系M33的旋轉(zhuǎn)曲線顯示，恒星距離星系中心越遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)的速度反而越快。

適用于矮星系

最近，麥高與米爾格龍和其他合作者一起專注于仙女星系周圍的矮星系。仙女星系是距離銀河系最近的大型星系。在仙女星系的外圍，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾十個(gè)小型且近似球形的星系，其中的恒星會(huì)在隨機(jī)的方向上做運(yùn)動(dòng)。這些矮星系的低恒星密度及相應(yīng)的低引力使得它們成為探測(cè)MOND效應(yīng)的絕佳地點(diǎn)。

使用位于美國(guó)夏威夷的加拿大-法國(guó)-夏威夷望遠(yuǎn)鏡，泛仙女星系考古巡天項(xiàng)目正在以前所未有的精細(xì)程度來研究仙女星系。就在這一巡天項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)并分析了10個(gè)新的矮星系之后不久，麥高和米爾格龍?jiān)?013年的一篇論文中根據(jù)MOND對(duì)其中恒星的運(yùn)動(dòng)速度做出了預(yù)言。此后，天文學(xué)家對(duì)恒星的速度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示在這10個(gè)星系中有9個(gè)的結(jié)果與預(yù)言一致，另1個(gè)星系則因?yàn)楹阈菙?shù)目太少而無法進(jìn)行速度測(cè)量。他們?cè)?014年對(duì)另外兩個(gè)鄰近矮星系的預(yù)言也得到了驗(yàn)證。

“當(dāng)你做出預(yù)言，然后被驗(yàn)證，說明事情在變好，”麥高說，“正如對(duì)仙女星系周圍矮星系測(cè)量顯示出來的。隨著數(shù)據(jù)的改善，MOND與測(cè)量的吻合度似乎也變得越來越好?！?/p>

他承認(rèn)，MOND仍面臨諸多挑戰(zhàn)，這其中包括富星系團(tuán)問題以及將MOND納入更普適引力理論的問題。另一方面，在解釋星系中恒星的運(yùn)動(dòng)上面，暗物質(zhì)模型也好不到哪兒去，在某些情況下可相差100倍。麥高同意貝肯斯坦的觀點(diǎn)，后者認(rèn)為暗物質(zhì)模型和MOND具有的問題在同一量級(jí)上。

至于最終究竟會(huì)怎樣，麥高并不確定，但他比以往任何時(shí)候都更加確信MOND值得進(jìn)一步研究。“這個(gè)理論具有預(yù)言觀測(cè)的能力，”他說，“所以它肯定會(huì)告訴我們些什么東西?！比绻钦_的，那么其他天文學(xué)家可能會(huì)發(fā)現(xiàn)MOND確實(shí)值得他們駐足一觀。

暗物質(zhì)時(shí)間線

1931年：荷蘭天文學(xué)家揚(yáng)·奧爾特（JanOort）（1900—1992）

發(fā)現(xiàn)在銀河系外緣處的恒星的軌道運(yùn)行速度比預(yù)期的快。他認(rèn)為必定有看不見的物質(zhì)維系住了它們。

1933年：瑞士裔美國(guó)天文學(xué)家弗里茨·茲威基（FritzZwicky）（1898—1974）

觀測(cè)發(fā)現(xiàn)以后發(fā)座星系團(tuán)中星系的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該已經(jīng)逃逸，除非有額外的物質(zhì)將它們束縛住。

1937年：美國(guó)天文學(xué)家辛克萊·史密斯（SinclairSmith）（1899—1938）

在室女星系團(tuán)中發(fā)現(xiàn)了與茲威基看到的相類似的現(xiàn)象。但1年后他便死于癌癥，年僅39歲。

1966年：日本物理學(xué)家宮澤弘成（HironariMiyazawa）（1927—）

第一個(gè)提出了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的超對(duì)稱性，它也許可以解釋暗物質(zhì)到底是什么。

1980年：美國(guó)天文學(xué)家維拉·魯賓（VeraRubin）（1928—）

發(fā)表了具有里程碑意義的論文，證明在超過100個(gè)星系中觀測(cè)到了與奧爾特所見相同的現(xiàn)象。我們的近鄰仙女星系也在其中。

1983年：以色列物理學(xué)家莫爾德艾·米爾格龍（MordehaiMilgrom）（1946—）

提出修改牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）理論，認(rèn)為引力的強(qiáng)度會(huì)在不同尺度上發(fā)生變化，以此解釋星系中恒星的轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)動(dòng)。