暗物質和修正引力理論 誰是解釋宇宙本質的真理

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本期作者：晗冰 責編：王真

暗物質理論是當前的主流理論，但在暗物質沒有完全得到證實的情況下，一些科學家又提出了修正引力理論來解釋宇宙現象。

萬有引力定律是迄今為止最成熟的物理學定律。但是宇宙中的行星、恆星、星系甚至於更廣意義上的現象似乎並不符合萬有引力定律的描述，以至於你會反覆對你所看到現象進行反覆檢查。當然，我們的物理學定律對宇宙的理解總是不完整的，需要我們對其反覆進行修正。目前，在如何解釋宇宙引力問題上學術界有兩種不同的觀點：一個陣營所持暗物質的觀點解釋宇宙引力問題，而另一陣營則堅持對現有的引力定律進行修正。

暗物質似乎可以決定宇宙結構組成

1781年，天王星被發現，這是在土星軌道之外發現第一顆太陽系大行星。而且這是人類首次用望遠鏡而不是肉眼發現的第一顆行星當時，牛頓的萬有引力定律能夠對行星的環日軌道進行計算。因此天王星的發現給人類提供了一個驗證牛頓萬有引力的機會。這對於科學家來說是一個意想不到的驚喜。但經過六十多年的觀察，科學家們發現：

在最初的20年里，根據牛頓的萬有引力定律，天王星似乎移動的過快；

在接下來的20年，天王星的運動似乎又符合牛頓萬有引力定律；

隨後，天王星的移動速度又慢下來，又開始與牛頓的萬有引力定律不相符。

天王星到底發生了什麼？是牛頓錯了嗎？還是有一些額外的未經發的物質，其引力可以解釋天王星運動的偏差？

理論學家們在這兩方面都做了大量工作，但當時「不可見的物質」的理論佔據了上風。1846年，法國天文學家勒威耶(Urbain Le Verrier)推測是因為存在一顆未知行星的引力作用，使天王星的軌道運動受到干擾，也就是天文學上所謂的「攝動」影響。他計算出這顆行星的軌道、位置、大小，然後請柏林天文台的伽勒尋找這顆未知的行星。1846年9月23日，伽勒根據勒維耶預言，只花了一個小時，就在離勒維耶預言的位置不到1度的地方，發現了一顆新的行星。後來這個新的行星被命名為海王星。「不可見的物質」這一理論也得到了驗證。

太陽系中的所有行星都遵循引力定律

大約在同一時間，一個新問題被注意到，最內側的水星。太陽系中的每一個行星都有一個近日點或者說是最接近太陽的方位。由於太陽系中行星受太陽、其他行星以及小行星引力的影響，各個行星的近日點進動都各有不同。根據牛頓萬有引力進行計算，水星的近日點進動為每世紀5557角秒但實際觀測值為每世紀5600角秒，二者之間有著一個微小卻顯著的差異。

同樣，理論學家爭論是否需要一個新的行星來解釋這一偏差。在這種情況下，一個在水星內部的行星，代號為Vulcan的行星形成了。另一種理論解釋是牛頓萬有引力定律需要進行修改。雖然在整個十九世紀後半葉，人們都在致力於通過驗算和觀測尋找所謂的Vulcan，但是一無所獲。而在另一方面，隨著物理學的研究拓展到接近光速時，牛頓經典力學已經無法解釋，而邁克爾遜-莫雷(Michelson-Morley)實驗和狹義相對論的發展也表明牛頓萬有引力定律需要進行改進。1915年末，愛因斯坦提出了廣義相對論，成功地解釋了水星近日點進動問題，其所計算的進動值在扣除了其他行星的影響後應是每100年向東移過42.91″，與觀測值——43″十分吻合。

假想行星Vulcan

迄今為止，諸如引力時間延遲、引力透鏡效應、脈衝星軌道衰變再到引力波等諸多現象都可以從愛因斯坦的廣義相對論找到解釋。但是關於星系的自轉問題同樣有著問題。目前科學家可以通過觀測單個星系來測量它們的自轉速度。持續旋轉的星系一側面向我們而來，會產生藍移;另一側背對我們而去，會產生紅移。人們原本以為星系的自轉和太陽系的情況類似——越靠內，恆星的運動速度越快。但事實上無論離開中心有多遠，星系各部分的自轉速度都是一個常數。這同樣存在兩種可能——要麼牛頓的萬有引力定律需要修正，要麼我們必須假設存在一種看不見的物質。

那麼這次的解決方案是什麼？是該修定現有的引力定律嗎？這樣以來，我們可以對引力定律做績效的修正，從而解釋所有星系的自轉曲線。其中包括很小的星系，其引力和質量的差異很大。

上個月，天體物理學家提出了一種新的修正引力理論，使得星系不再需要額外的不可見物質，便可在普通物質框架下維持星系的穩定。但是，一旦人們在宇宙的更大尺度上考慮這個問題，就會發現修正的引力理論也有著巨大的漏洞。

當不同的星系團發生碰撞時，根據修改的引力理論在碰撞前以及碰撞後所做的預測完全不同。這種修改後的引力理論的預測不能顧及到兩者。當人們試圖用這一理論解釋個別星系的運動時，解釋宇宙中存在的使光線發生彎曲，能夠產生強弱兩種引力透鏡現象時，解釋宇宙大爆炸以及膨脹宇宙時，修正引力理論卻失敗了。

1919年，愛因斯坦廣義相對論解釋了光在強大引力作用下產生的彎曲現象

科學家的另一種選擇是暗物質，而不用修改牛頓或愛因斯坦的定律。你可以保持這些理論不變，而僅僅需要添加一些看不見的物質，但會產生相互作用的引力。通過額外增加的引力源，人們可以很好的解釋絕大多數星系的恆星運動。

關於153個星系重力加速度（y軸）與可見質量物質（x軸）的相關性。藍色顯示每個單獨星系，而紅色則代表分體統計數據。

暗物質理論在宇宙的更大尺度上更容易解釋觀測到的現象，因為在更大尺度上，宇宙更為均勻，波動也更為粗糙，引力是最主要的效應。暗物質理論可以在最大尺度上再現宇宙的微波背景，星系團碰撞、引力透鏡以及星系團的運動等現象。這些都可以用暗物質來解釋。

可見恆星、中性氣體以及球狀星團都指向了修正引力理論或是暗物質的存在。其理論位置與觀測位置都不符合。

但是在暗物質理論模擬中，需要包含數萬億的暗物質粒子，其中還需要考慮光子壓力、恆星形成、超新星以及其他效應。這樣推論，每個個體星系需要包含10的60次方甚至10的80次方暗物質粒子。要知道一萬億隻有10的12次方。暗物質理論對於那些大星系才有效，至少要是銀河質量的10%甚至更大。而質量更小的星系需要更多的暗物質粒子才能夠達到平衡，修正引力理論團隊周一發表的文章認為，這將超過現有計算能力的一百萬倍。

質量與加速度相關性已經被驗證的星系，注意只有那些比虛線更大的星系才能夠被暗物質理論充分模擬

暗物質陣營中的大多數人堅信，迄今為止其理論能夠對整個宇宙中所有相關現象作出一致性解釋。同樣，而堅持修正引力理論的人們則認為在小尺度上暗物質的不正確就是暗物質理論的失敗，而他們所發現的修正引力則將產生比愛斯坦理論更深遠的理論變革。目前來看，修正引力理論的最大挑戰是在大尺度上解釋宇宙宏觀現象，而暗物質理論的挑戰則是正確再現小尺度細節。

各種碰撞星系團的X射線（紅色）以及總體物質（藍色）光譜圖，顯示了正常物質和暗物質之間的明顯區別

對支持暗物質的人來說，引力理論就是廣義相對論，只是暗物質提供引力源。

如果你想解釋我們今天所觀測到的宇宙現象，就必須要有暗物質的存在。沒有一種已知的修正引力可以解釋宇宙的大規模結構以及宇宙微波背景。如果沒有暗物質，必須有一種完善的修正引力理論來解釋所有的宇宙現象。

宇宙微波背景輻射，也是大爆炸殘留的輝光

兩大陣營將繼續相互爭論，直至有一天暗物質被直接檢測到，或是修正引力理論所解釋的自然規律實際上是暗物質影響的結果。雖然暗物質還不能完全斷定是真實的，但在目前情況卻能通過最少的修改，對整個宇宙中所有相關現象作出一致性解釋。而一個完全有說服力的理論還沒有完全出現。

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