旋渦星系的自轉(zhuǎn)速度快于理論預(yù)測。有兩種解釋，一種是存在我們看不見的暗物質(zhì)；另一種是引力理論本身出了問題（圖片來源：NASA/CXC/SAO/D。 Hartmann/JPL-Caltech）
兩個多月前，我們曾在《暗物質(zhì)會和以太一樣，根本不存在嗎？》一文中介紹過MOND理論。近日，新版相對論MOND模型在《物理評論快報》上正式發(fā)表。這種完全無需暗物質(zhì)的宇宙模型在被科學(xué)家忽視了30多年后，重回人們的視野。同時，對弱相互作用大質(zhì)量粒子的搜尋也以逼近極限，物理學(xué)家又開始尋軸子等暗物質(zhì)候選粒子，但仍沒人找到暗物質(zhì)。暗物質(zhì)真的存在嗎？前沿科學(xué)是否已經(jīng)走了幾十年彎路？
撰文 | 王昱
在天文學(xué)家沒有仔細研究星系的旋轉(zhuǎn)速度之前，一切好像還能糊弄過去。但隨著上世紀60年代末美國天文學(xué)家薇拉·魯賓（Vera Rubin）仔細測量了旋渦星系M31的旋轉(zhuǎn)速度，理論計算和實際觀測之間的差異就再也藏不住了，星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度絕對比牛頓引力預(yù)言的更快。（在這個尺度上廣義相對論等同于牛頓引力）經(jīng)過10年數(shù)據(jù)積累，她在1980年發(fā)表的一篇論文中總結(jié)了這一現(xiàn)象，并推斷：要么是存在我們看不見的物質(zhì)產(chǎn)生了額外的引力；要么是牛頓引力出了問題。
傳統(tǒng)理論預(yù)測的（A）與觀測到的（B）典型旋渦星系自轉(zhuǎn)曲線對比，橫軸為距離星系中心的距離（圖片來源：Wikipedia）
暗物質(zhì)（dark matter）和修改的牛頓動力學(xué)（Modified Newtonian Dynamics ，MOND理論）分別是這兩個推論的延伸。暗物質(zhì)假說認為宇宙中我們看不見的暗物質(zhì)，它逐漸走向了主流。當今宇宙學(xué)最常用的模型就是ΛCDM模型，全稱為Λ-冷暗物質(zhì)模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。當代宇宙學(xué)家曾在課程中學(xué)到的，主要就是這種模型。而以色列物理學(xué)家莫德采·米爾格若姆（Mordehai Milgrom）則注意到，只有在引力加速度低于10-10m/s2時才會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)速度異常，他認為在這一條件下，牛頓引力不再適用，于是提出了MOND理論。但就算1988年他用自己的理論解釋了星系旋轉(zhuǎn)曲線問題，MOND理論至今仍門庭奚落。
但近日在《物理評論快報》上發(fā)表的一篇論文可能會改變現(xiàn)狀。在這篇論文中，兩位捷克理論物理學(xué)家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和湯姆·茲沃什尼克（Tom Z?o?nik）開發(fā)了一種新的相對論版MOND模型。越來越多的科學(xué)家也注意到了他們的成果，或許我們的宇宙根本不需要暗物質(zhì)。
被忽視的30年
MOND理論被長久忽視是有原因的，最重要的原因是，它無法解釋宇宙微波背景（CMB）。
宇宙微波背景輻射（圖片來源：NASA）
宇宙微波背景輻射是現(xiàn)代天文學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一，它也是宇宙大爆炸假說最重要的證據(jù)之一。瑞士宇宙學(xué)家魯思·杜爾（Ruth Durrer）曾說：“一個理論必須和（CMB的）數(shù)據(jù)相符。這就是它（MOND）的瓶頸。”ΛCDM模型能很好地利用CMB的數(shù)據(jù)，“宇宙中重子物質(zhì)占4.9%，暗物質(zhì)占26.8%，暗能量占68.3%”這種科學(xué)愛好者耳熟能詳?shù)慕Y(jié)論，就是用ΛCDM模型計算CMB的數(shù)據(jù)得出的。相反，MOND理論則一直對CMB的數(shù)據(jù)束手無策，它無法重現(xiàn)CMB的數(shù)據(jù)。
除此之外，MOND理論還有一些細節(jié)問題，比如它難以解釋一些星系中的引力透鏡問題。根據(jù)廣義相對論，大質(zhì)量物質(zhì)的引力可以偏折光線，大量物質(zhì)聚集的地方可以形成引力透鏡。但是在以子彈星系為首的一系列星系中，天文學(xué)家找不到一些引力透鏡對應(yīng)的質(zhì)量，只能用不可見的暗物質(zhì)解釋。不過2004年，曾有人提出過一種相對論版MOND理論，該模型可以解釋這種“憑空”出現(xiàn)的引力透鏡。但是它仍然沒能克服那個最關(guān)鍵的問題：解釋CMB的數(shù)據(jù)。
藍色部分是由引力透鏡計算得出的暗物質(zhì)分布（圖片來源：NASA/CXC/M。 Weiss）
就連本次論文作者斯科迪斯也承認：“如果這個理論不能做到這一點（重現(xiàn)CMB數(shù)據(jù)），那就根本不值得進一步考慮?！倍赵凇段锢碓u論快報》上發(fā)表的新版MOND模型，其最大的意義就是用類似MOND的理論解釋了CMB。
補全的理論
新版MOND理論假設(shè)有兩個場彌漫在整個宇宙中，它們的共同作用導(dǎo)致了額外的引力。其中一個場是像希格斯場一樣的標量場；另一個則是磁場一樣的矢量場，空間中每一點都具有特定的方向。
斯科迪斯和茲沃什尼克設(shè)置了理論的參數(shù)，讓宇宙早期的引力修正場能產(chǎn)生與暗物質(zhì)類似的效應(yīng)，這樣就能保證今天觀測到的CMB數(shù)據(jù)能被重現(xiàn)。這兩個場會隨著宇宙時間的推移而演化，最終引力會變成原本MOND理論描述的那樣。
美國宇宙學(xué)家斯泰西·麥高（Stacy McGaugh）說：“這是一項革命性的成果，過去幾十年來，因為MOND理論無法實現(xiàn)斯科迪斯和茲沃什尼克今天做到的事，人們很大程度上都忽略了這種理論?！?/span>
一旦新版MOND模型解決了CMB的問題，它的優(yōu)勢立馬就凸顯出來。美國天文學(xué)家布倫特·塔利（Brent Tully）和理查德·費希爾（Richard Fisher）在1977年發(fā)表的一篇論文中，提出了一個經(jīng)驗公式，描述了旋渦星系的光度與旋轉(zhuǎn)曲線外側(cè)速度之間的關(guān)系。很容易就能從這個公式得出“旋渦星系所含重子物質(zhì)和它在較遠距離上的自轉(zhuǎn)速度的4次方成正比”這一關(guān)系，這被稱為重子塔利-費希爾關(guān)系（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理論恰巧就能精確導(dǎo)出BTFR。
塔利-費希爾關(guān)系，與重子塔利-費希爾關(guān)系類似（圖片來源：Wikipedia）
暗物質(zhì)則完全無法預(yù)測這種關(guān)系。如果想在ΛCDM模型的框架內(nèi)重現(xiàn)BTFR，天文學(xué)家必須從宇宙早期開始模擬星系，模擬中的星系在經(jīng)過一百多億年的演化后，或許能重現(xiàn)BTFR。但如果想嚴格重現(xiàn)BTFR，還要在模擬中加入非常嚴格的限制，并對旋渦星系的演化機制進行不那么嚴謹?shù)男薷摹?/span>直到現(xiàn)在，堅持ΛCDM模型的宇宙學(xué)家還沒能通過模擬完美重現(xiàn)BTFR。
缺席的暗物質(zhì)
在類似MOND的理論重回人們的視野之前，暗物質(zhì)已經(jīng)在宇宙學(xué)領(lǐng)域充當了30多年的主角。美國宇宙學(xué)家戴維·斯佩奇（David Sperge）表示新的MOND模型太過復(fù)雜，認為新的相對論的MOND模型只有當“暗物質(zhì)假說的形式非常復(fù)雜時”才值得考慮。學(xué)界對ΛCDM模型充滿信心，2014年版的《粒子物理學(xué)評論》中寫道：“（宇宙學(xué)的）統(tǒng)一模型已經(jīng)建立起來了，似乎沒剩下多少空間能對這個范式進行大幅度的修改?！边@一“flag”滿滿的言論很容易讓人想到一個多世紀前的“兩片烏云”。這一次，類似的情況會再次上演嗎？或者說，物理學(xué)家是否已經(jīng)走了30多年彎路？
科學(xué)家一直都在尋找暗物質(zhì)，其中最有希望的候選體是大質(zhì)量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，WIMP）。這種粒子只能通過弱相互作用和引力與其他物質(zhì)產(chǎn)生作用，質(zhì)量可能在質(zhì)子質(zhì)量的1倍到1萬倍之間，常規(guī)觀測手段無法發(fā)現(xiàn)這種粒子。
但幾十年來的暗物質(zhì)探測，不過是一遍又一遍刷新暗物質(zhì)可能存在的下限。今年7月初，在馬塞爾·格羅斯曼國際廣義相對論大會上，中國錦屏地下實驗室PandaX實驗（“熊貓”實驗）公布了PandaX-4T實驗的首個暗物質(zhì)搜尋結(jié)果，人類又一次沒能找到暗物質(zhì)。反而，基于PandaX-4T試運行95天的數(shù)據(jù)，暗物質(zhì)反應(yīng)截面的上限又被降低了，這意味著理論中存在的WIMP更難被發(fā)現(xiàn)了。這仿佛嘲笑著物理學(xué)家：“想發(fā)現(xiàn)WIMP？你們?nèi)祟惖木冗€不夠?！?/span>
PandaX-4T刷新了暗物質(zhì)反應(yīng)截面的上限（圖片來源：中科大新聞網(wǎng)）
對WIMP的搜尋已經(jīng)逼近極限了，對它的搜尋已經(jīng)抵達了一個關(guān)鍵節(jié)點。不久之后，現(xiàn)有的大多數(shù)暗物質(zhì)實驗將會尋遍WIMP理論上可能存在的質(zhì)量范圍。如果到那時還沒有發(fā)現(xiàn)，要么是現(xiàn)有的探測手段根本無法發(fā)現(xiàn)WIMP，要么暗物質(zhì)根本不是WIMP……要么，暗物質(zhì)根本就不存在。
一些現(xiàn)在還在堅持暗物質(zhì)的宇宙學(xué)家，已經(jīng)漸漸轉(zhuǎn)向WIMP之外的粒子了。其中一個有力競爭者名為軸子（axion），這種粒子比WIMP輕得多。科學(xué)家認為中子星熾熱的核心能產(chǎn)生軸子，當軸子到達中子星表面時，就會轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線光子，但目前科學(xué)家還沒有觀測證據(jù)。今年初在《物理評論快報》上發(fā)表的一篇論文中，科學(xué)家認為可以用這一效應(yīng)解釋中子星較高的X射線輻射。但是，他們目前的數(shù)據(jù)精度還不夠，他們打算用美國宇航局的核分光望遠鏡陣（NuSTAR）進一步觀測。同時，歐洲核子研究中心（CERN）科學(xué)家也將10米長的CERN軸子太陽望遠鏡（CAST）對準太陽，試圖從那里發(fā)現(xiàn)軸子的痕跡。
核分光望遠鏡陣（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）
除此之外，還有科學(xué)家認為暗物質(zhì)可能是復(fù)合粒子，“暗夸克”和“暗膠子”能像夸克和膠子那樣結(jié)合在一起，形成“暗原子核”。還有人認為暗物質(zhì)根本不是粒子，也可能是宇宙大爆炸不久后產(chǎn)生的原初黑洞。
不停推進的實驗卻在持續(xù)削減著暗物質(zhì)可能存在的空間。英國倫敦瑪麗皇后大學(xué)替代引力模型專家特莎·貝克（Tessa Baker）表示，如果暗物質(zhì)探測器繼續(xù)一無所獲，“我們就可能看到大家對這類修正引力模型越來越感興趣?！倍硪贿?，斯科迪斯和茲沃什尼克則表示，他們可以對星系團和引力波的進一步觀測來檢驗他們的最新模型。
不論如何，類似MOND的理論和暗物質(zhì)理論，這兩種解釋宇宙本質(zhì)的理論中，最多只有一個可能是正確的。在前者突破了最大瓶頸的同時，最富希望的暗物質(zhì)候選體卻逐漸成為明日黃花，有的科學(xué)家甚至轉(zhuǎn)向了別的候選體，暗物質(zhì)越來越像一個多世紀前假設(shè)中光傳播的介質(zhì)“以太”。如果它真的像以太一樣不存在，類似MOND的理論又能否像“相對論”一樣顛覆我們對宇宙的認知？讓我們拭目以待。
讓基礎(chǔ)物理學(xué)的暴風(fēng)雨來得更猛烈些吧。
參考文章：
https：//physics.aps.org/articles/v14/143
https：//aeon.co/essays/we-should-explore-alternatives-to-the-standard-model-of-cosmology
《暗物質(zhì)探測的最后陣地》，《環(huán)球科學(xué)》2021年4月號