“教條”已經影響了對暗物質的研究？

帕維爾·克魯帕

譯/楊曉梅

當今學術界的主流觀念認為宇宙的主要物質是不為人眼所見的暗物質，組成宇宙的暗物質顆粒不和輻射發(fā)生相互作用，使用任何望遠鏡都看不到它們。暗物質是如此強大的一個概念，而且大多報道認為它的存在已是事實。但是最近人們對暗物質的存在產生了一絲懷疑。2013年7月，在南達科他州進行的尋找暗物質的LUX實驗一無所獲——這是人類幾十年來在浩瀚宇宙中苦苦尋找暗物質的又一次失敗。更有一些調查認為宇宙中根本沒有暗物質。這不禁讓人困惑不已，因為暗物質這個假設的最初來源就是對宇宙的真實觀測。

暗物質理論波及極廣。宇宙出現(xiàn)的科學解釋、星系和黑洞的進化以及物理學的基本理論都受暗物質理論的影響。事實上，即使在學術界，對暗物質的認識也是一片混亂，各種論證和解釋糾纏在一起，并沒有實質性的成果。

暗物質源于這樣一種假設：宇宙符合愛因斯坦廣義相對論場方程的描述，牛頓引力（也就是我們在地球上測量到的引力）在宇宙中是無時無處不在的。這種假設進一步推理出宇宙中的物質都來自最初的宇宙大爆炸?；谶@種推理的模擬實驗更具體地預測出宇宙結構如何快速形成，并預測出星系和星系中恒星的運動模式。與真實觀測結果相比，根據這些模擬實驗的結果可以得出

一種結論——已知物質產生的引力無法解釋星系和恒星的真實運動模式，宇宙中肯定有其他物質產生強大的引力。而看不見的暗物質正好為這種不一致提供了解釋。目前科學家通常把這種模式（即愛因斯坦的廣義相對論和暗物質，一般被稱為“零假設”）作為研究的起點，然后通過具體的星系運動計算來檢測結果。

我在20世紀90年代末偶然進入了這個領域，那時我正在研究圍繞太陽系的小衛(wèi)星星系的運動模式。從觀察結果來看，我們預計這些小衛(wèi)星星系肯定會包含大量暗物質，應該是可見星系的10倍至1000倍。然而在計算過程中有一點讓我非常費解，那就是模擬實驗的結果和實際觀測結果非常接近，但是我的模擬實驗肯定是沒有任何暗物質存在的?？磥碛^測者對衛(wèi)星星系內的星球運動做出了錯誤的推理，暗物質并不是用來解釋星系結構的必備條件。

這些研究結果發(fā)表之后，我馬上體會到了不“隨大流”意味著什么。盡管批評紛至沓來，但我沒有放棄對這些結果繼續(xù)進行研究，幾年之后又發(fā)現(xiàn)了另一個大問題：已知的衛(wèi)星星系呈圓盤狀分布，和銀河系的相對位置是垂直的；暗物質理論的模式卻預測說最初的矮星系可以從任意方向跌入銀河系，所以應該是球狀分布。這個發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一次大辯論，主流研究者認為盤狀分布的衛(wèi)星是不存在的、不重要的或者是不能用來測試星系運動模式的。

這期間，天文學家不斷確認新的矮星系，其盤狀結構的分布越來越明顯。斯特拉斯堡天文臺的羅德里戈·埃爾貝塔證明了與我們相鄰的仙女座有更多明顯呈盤狀分布的衛(wèi)星星系。我在波恩大學的工作團隊還發(fā)現(xiàn)仙女座和銀河系的衛(wèi)星星系看起來處在同一直線上，而且整體結構高度對稱。埃爾貝塔及其團隊最終確認：實際觀測到的太空物質和暗物質理論的預測并不相符。

還有更多的問題：從理論上說，當一個有暗物質暈的矮星系穿越更大星系的暗物質暈時，暗物質就會吸收運動能量，矮星系就會掉入大星系的中心，這個過程有點像玻璃球掉進蜂蜜中。很多天文學家研究這個過程，稱其為“動力摩擦”。但是這種現(xiàn)象在真實天文學觀測數(shù)據中并沒有體現(xiàn)，說明我們期待的暗物質暈并不存在。近來，凱斯西儲大學俄亥俄分校以斯泰西·麥高為首的研究團隊發(fā)文說，螺旋星系的旋轉模式和同樣結構的、僅由可見星體構成的星系的旋轉模式幾乎相同，再次對“零假設”提出了挑戰(zhàn)。

基于這些研究成果，我提出必須放棄“零假設”。那么用什么來替代呢？我們需要做的第一步就是重新審視牛頓萬有引力的實效性。米爾格羅姆在20世紀80年代初指出，對牛頓定律稍加修訂，星系群和星系中物質的運動模式是不用暗物質理論也能解釋得通的。這種方法被稱為修正牛頓引力理論（MOND）。米爾格羅姆的修正在于：當局部重力加速度達到極低的閾值時，萬有引力的變化會隨著距離的減小而變得更慢（而不是像牛頓定律那樣隨著距離的平方產生變化）。米氏修正的這個極限值也許與“暗物質”這類宇宙物質的特性一樣，是造成宇宙加快擴張的原因。

這些現(xiàn)象表明，空間、時間和物質之間有更深層的基本理論仍未確立?，F(xiàn)在很少有人使用MOND作為理論假設進行研究，部分原因是這樣做意味著質疑廣義相對論的正確性。此外，空間量子物理學和質量的本質也在星體運動解釋中占有一席之地。從實際觀測和理論研究兩個方面來看，MOND有自身缺陷，最大的不足之處在于不能與廣義相對論對接。由于當今暗物質理論的盛行，少有科學家使用米氏理論：年輕科學家擔心因此找不到工作；資深科學家怕拿不到科研經費。

我的研究小組和斯特拉斯堡的貝諾特·弗莫一起堅持致力MOND的研究，也的確因此損失了不少科研經費。但是我們在電腦上模擬的宇宙運動模式和真實觀測到的無比接近，這讓我們興奮不已。MOND可能會成為在牛頓和愛因斯坦研究基礎之上的萬有引力研究的新進展。近年發(fā)現(xiàn)的引力波帶來更令人振奮的可能性，這些波穿越了宇宙，穿越了米氏的極低閾值區(qū)。對引力波的研究可

以為細化MOND帶來必要的數(shù)據，也能使人們走出教條主義的局限，用更多的方法研究廣袤的宇宙。