哈勃空間望遠鏡拍攝的NGC 1052-DF2，它幾乎不含暗物質（圖片來源：NASA）

　　你可能聽說過，宇宙中的物質大部分都是暗物質。這種不可見的物質能提供引力，讓星係保持高速自轉。幾十年來，對暗物質的搜尋從(cong) 未中斷，但直到今天，科學家們(men) 依然沒有發現它的蹤跡。這時，一些科學家開始認為(wei) ，接連不斷的失敗讓暗物質看上去越來越像一個(ge) 多世紀前的以太。當時，狹義(yi) 相對論徹底殺死了廣為(wei) 流傳(chuan) 的以太假說；而今天，是否又會(hui) 有理論再次扮演這個(ge) 角色呢？

　　撰文 | 王昱

　　審校 | 吳非

　　當前宇宙學的標準模型是ΛCDM模型，它的全稱是Λ-冷暗物質模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。顧名思義(yi) ，它假設宇宙中存在暗物質。當前的宇宙學家都在默認ΛCDM模型的環境下接受教育，他們(men) 被告知宇宙中暗物質多於(yu) 重子物質（即普通物質）。將最新的觀測數據帶入這個(ge) 模型，可以計算出宇宙中重子物質占4.9%，暗物質占26.8%，暗能量占68.3%。

　　幾十年來，科學家們(men) 一直都在尋找暗物質。其中最有希望的候選體(ti) 是大質量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，WIMP），這種粒子隻能通過弱相互作用和引力與(yu) 其他物質產(chan) 生作用，並且其質量比普通粒子大一些。但從(cong) 來沒人發現過它。

　　本月初，在馬塞爾·格羅斯曼國際廣義(yi) 相對論大會(hui) 上，中國錦屏地下實驗室PandaX實驗（“熊貓”實驗）公布了PandaX-4T實驗的首個(ge) 暗物質搜尋結果，人類又一次沒能找到暗物質。反而，基於(yu) PandaX-4T試運行95天的數據，暗物質反應截麵的上限又被降低了，這意味著理論中的暗物質更難被發現了。

　　但是，在暗物質遲遲沒能被發現的同時，學界對ΛCDM模型的信心卻越發堅定。2014年版的《粒子物理學評論》[1]中寫(xie) 道：“（宇宙學的）統一模型已經建立起來了，似乎沒剩下多少空間能對這個(ge) 範式進行大幅度的修改。”這一“flag”滿滿的言論很容易讓人想到一個(ge) 多世紀前的“兩(liang) 片烏(wu) 雲(yun) ”。這一次，類似的情況會(hui) 再次上演嗎？或者說，暗物質真的存在嗎？

　　暗物質與(yu) MOND理論

　　暗物質是在解釋星係自轉曲線（galactic rotation curve）的異常時被提出的。上世紀70年代，天文學家發現大量星係的旋轉速度和通過引力計算的不符。按照觀測到的物質的質量計算，在星係外圍，星係的旋轉速度應該下降。但觀測到的星係自轉速度卻比引力計算的要大。於(yu) 是天文學家猜測，可能存在我們(men) 看不到的物質，它們(men) 包裹著星係，提供了額外的引力，讓星係自轉速度保持在較高水平。

　　不含暗物質星係的模擬（左）和含有暗物質星係的模擬（右）（視頻來源：Wikipedia）

　　這種我們(men) 看不見，卻又能提供引力的物質，就是暗物質。後來暗物質理論經過多次完善，逐漸形成了今天宇宙學的標準模型——ΛCDM模型。暗物質有很多種候選體(ti) ，比如很輕的軸子（axion），也可能是很重的微型黑洞，或是難以被發現的中子星、白矮星，甚至是流浪行星。而最具希望，同時也是科學家一直在尋找的是WIMP。WIMP不會(hui) 參與(yu) 電磁相互作用，用電磁波進行觀測的天文學家根本不可能直接發現它；而它卻又能提供引力，維持著較高的星係自轉速度。然而，幾十年來對WIMP的搜尋，其結果不過是一次又一次地證明它的發現難度高於(yu) 當時的技術水平。

　　對星係自轉曲線的異常來說，暗物質並非唯一的解法。還有一種理論名為(wei) 修改的牛頓動力學（Modified Newtonian Dynamics），或者叫MOND理論。1983年，以色列魏茨曼科學研究學院的物理學家莫德采·米爾格若姆（Mordehai Milgrom）提出了這種理論。他指出在星係自轉曲線中，有兩(liang) 點是暗物質無法解釋的。第一，自轉速度並不是簡單的大於(yu) 引力的預測，而是在星係中心保持較為(wei) 正常的水平，在遠離星係中心時才會(hui) 不斷上升，最終趨向於(yu) 一個(ge) 穩定值。這種現象被天文學家稱為(wei) “旋轉曲線的漸進平坦性”。第二，異常高的旋轉速度隻有在引力導致的加速度低於(yu) 一個(ge) 特定的、非常低的值時才會(hui) 出現。

　　這個(ge) 特定的加速度值被米爾格若姆稱為(wei) a0，在太陽係內(nei) 任何地方，太陽引力產(chan) 生的加速度都高於(yu) 這個(ge) 值。在測量星係邊緣的自轉速度之前，天文學家從(cong) 來沒有測量過如此微弱的引力。於(yu) 是米爾格若姆認真考慮了在這一條件下，引力理論出現偏差的可能。

　　在1983年發表的3篇論文[2][3][4]中，米爾格若姆對牛頓引力進行了一個(ge) 簡單的修正（在星係尺度上，由廣義(yi) 相對論計算的引力可以被簡化為(wei) 傳(chuan) 統的牛頓引力），並用修正後的牛頓引力重現了旋轉曲線的特性。幾十年來，MOND理論一直都是暗物質的替代理論。

　　理論間的競爭(zheng)

　　兩(liang) 種理論用完全不同的方法解釋了同一個(ge) 現象。暗物質假定宇宙中存在我們(men) 看不見的物質，產(chan) 生了額外的引力，它最可能的候選體(ti) 是WIMP；而MOND理論則猜測根本沒有什麽(me) 暗物質，是我們(men) 的引力理論在星係尺度上根本不適用。這兩(liang) 種理論中，最多隻能有一個(ge) 是正確的。

　　通常，我們(men) 需要通過多種相互獨立的檢驗才能稱一個(ge) 理論是正確的。比如，人類早就通過雙中子星PSR B1913+16繞轉時能量的損失，間接證明了引力波的存在。但是直到2016年LIGO宣布發現了引力波時，我們(men) 才能說人類發現了引力波。而MOND理論除了解釋星係自轉曲線之外，還能對星係的屬性做出預言。

　　天文學家布倫(lun) 特·塔利（Brent Tully）和理查德·費希爾（Richard Fisher）在1977年發表的一篇論文[5]中，提出的一個(ge) 經驗公式闡述了旋渦星係的光度與(yu) 旋轉曲線最終趨向的穩定值之間的關(guan) 係。這個(ge) 公式很容易就能被轉換成“旋渦星係所含重子物質和它在較遠距離上的自轉速度的4次方成正比”，這一關(guan) 係被稱為(wei) 重子塔利-費希爾關(guan) 係（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理論恰巧就能精確導出BTFR。

　　暗物質則完全無法預測這種關(guan) 係。如果想在ΛCDM模型的框架內(nei) 重現BTFR，天文學家必須從(cong) 宇宙早期開始模擬星係，模擬中的星係在經過一百多億(yi) 年的演化後，或許能重現BTFR。但如果想嚴(yan) 格重現BTFR，還要在模擬中加入非常嚴(yan) 格的限製，並對旋渦星係的演化機製進行不那麽(me) 嚴(yan) 謹的修改。直到現在，堅持ΛCDM模型的宇宙學家還沒能通過模擬完美重現BTFR。

　　不複存在的阿克琉斯之踵

　　但既然如此，ΛCDM模型又為(wei) 何能成為(wei) 大多數天文學家認同的理論呢？這是因為(wei) MOND理論有一個(ge) 無法回避的阿喀琉斯之踵——它沒能很好的符合宇宙微波背景輻射（CMB）的光譜。

　　宇宙微波背景輻射是現代天文學最重要的發現之一，它是宇宙大爆炸假說最重要的證據之一。宇宙學家魯思·杜爾（Ruth Durrer）曾說過：“一個(ge) 理論必須和（CMB的）數據相符。這就是它的瓶頸。”ΛCDM模型能很好地利用CMB的光譜，它甚至能通過CMB的數據計算出宇宙中含有多少暗物質。相反，MOND理論在建立之初並不能做到這一點。

　　不過，這一現狀已經被改變了。就在去年，兩(liang) 位捷克理論物理學家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和湯姆·茲(zi) 沃什尼克（Tom Złośnik）在預印本網站[6]上分享了他們(men) 對MOND理論的改進。他們(men) 在最大的宇宙尺度上添加了一個(ge) 額外的場，相當於(yu) MOND理論的相對論版本（relativistic version of MOND），被稱為(wei) RMOND理論。RMOND理論無需暗物質，同時也能完美預言出CMB的細節。也就是說，（R）MOND理論的阿喀琉斯之踵已經不複存在。想讓RMOND理論被廣泛接受，隻差臨(lin) 門一腳。

　　不過，RMOND理論和ΛCDM模型一樣，兩(liang) 者都還存在很多難以解釋的問題。比如，這兩(liang) 者都難以完美預言星係團的運動。但是，ΛCDM模型的處境似乎更糟一些，它難以重現由觀測發現，並能用MOND理論導出的BTFR。而在這一前提下，屢次被降低的暗物質反應截麵上限正讓ΛCDM模型變得愈加難以實現。

　　WIMP候選粒子的質量可能在質子質量的1倍到1萬(wan) 倍之間。現在，對WIMP的搜尋已經抵達了一個(ge) 關(guan) 鍵節點。不久之後，現有的大多數暗物質實驗將會(hui) 尋遍WIMP理論上可能存在的質量範圍。如果到那時還沒有發現，要麽(me) 是現有的探測手段根本無法發現WIMP，要麽(me) 暗物質根本不是WIMP……要麽(me) ，暗物質可能根本就不存在。

　　隨著實驗的推進，暗物質變成下一個(ge) “以太”的可能性正在增加。在未來RMOND理論是否又能成為(wei) 一個(ge) 世紀前的狹義(yi) 相對論，為(wei) 我們(men) 打開一段新的物理學的黃金時代？讓我們(men) 拭目以待。

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