暗物質理論的「魅影危機」

原文 by Marcus Chown 曉翔 譯 韓晶晶 校對

一個世紀以前，愛因斯坦揭示了水星運行軌道之所以與經典牛頓力學推算有出入的原因，從而證明了他的引力理論——廣義相對論。而今天，一位以色列物理學家預言了一種簡單但更精細的行星軌道異動。這種異動如果被探測到，可能被用來證明一項有爭議的理論——修正牛頓動力學（Modified Newtonian Dynamics, 後文縮寫為MOND）。

這項理論提供了一種替代暗物質理論的方法，來解釋漩渦星系邊緣的恆星軌道為何不會脫離星系。這些恆星相對於傳統引力理論而言轉得太快，而很難被漩渦星系的中心物質固定在它們固有的軌道上，所以必須有別的什麼東西來保持它們的運行軌跡。

已有的理論認為是暗物質提供了額外的拉力，而MOND，這一由以色列魏茲曼科學研究所的Mordehai Milgrom在1980年提出的理論假設，星系外圍恆星所受的引力大於牛頓經典物理學所推測的——在低於臨界閾值加速度a0的情況下，引力從牛頓經典力學認為的隨距離平方反比減弱形式而變為僅僅隨距離反比減弱的形式，從而比想像的要強。

在將a0的值定為10^-10米/秒²時，這一定量參數就可能解釋數百個漩渦星系的恆星運動，而相比之下，暗物質理論則需要針對不同的星系有不同的暗物質總量和分布方式。

但MOND或是暗物質理論的證明，都必須依賴極大尺度上的觀測，很難進行局部檢驗。但Milgrom在他近期發表的文章中提出，現在可以通過預測一種太陽系內作用來驗證MOND理論。

如果牛頓經典力學是正確的，在太陽和銀河系中心間應該有一個引力的平衡區域，兩者的引力在這一區域相互抵消。同時在這一區域，MOND理論也正好表現出背離牛頓經典引力的特徵。換句話說，如果這一區域檢測到引力，那麼沒有別的，只可能是MOND理論的作用。如果MOND理論成立，就會看起來像是在這一區域中存在一個反常的、「魅影」般的物質，為太陽系提供一個引力作用。由於這個作用並不來自一個單一的點，而是一片廣大的區域，因此會同時對行星產生兩個方向的拉力——所謂的「四極」作用。

Milgrom認為，這一作用力將使得行星的軌道產生變動，圍繞太陽的橢圓軌道將緩慢變動，形成一種類似於花瓣的軌跡，這一推測和愛因斯坦在1915年所作的預言相同。「所不同的是，會比愛因斯坦的推測小得多，而且越外圈的行星軌跡就會越大——和愛因斯坦預測的相反。」Milgrom說。

然而，由於沒有觀測足夠多的外圍行星軌道，我們還無法測試這種說法。同時，Milgrom也不認為這種力應該對NASA發射的兩個先鋒空間探測器異動負責。

Milgrom說目前為止對他文章的評價都是正面的。「這確實很有趣，」牛津大學的James Binney說。「這是在迄今為止未探索的尺度上對MOND理論進行測試。