帕維爾·克魯帕

譯/楊曉梅

當(dāng)今學(xué)術(shù)界的主流觀(guān)念認(rèn)為宇宙的主要物質(zhì)是不為人眼所見(jiàn)的暗物質(zhì)，組成宇宙的暗物質(zhì)顆粒不和輻射發(fā)生相互作用，使用任何望遠(yuǎn)鏡都看不到它們。暗物質(zhì)是如此強(qiáng)大的一個(gè)概念，而且大多報(bào)道認(rèn)為它的存在已是事實(shí)。但是最近人們對(duì)暗物質(zhì)的存在產(chǎn)生了一絲懷疑。2013年7月，在南達(dá)科他州進(jìn)行的尋找暗物質(zhì)的LUX實(shí)驗(yàn)一無(wú)所獲——這是人類(lèi)幾十年來(lái)在浩瀚宇宙中苦苦尋找暗物質(zhì)的又一次失敗。更有一些調(diào)查認(rèn)為宇宙中根本沒(méi)有暗物質(zhì)。這不禁讓人困惑不已，因?yàn)榘滴镔|(zhì)這個(gè)假設(shè)的最初來(lái)源就是對(duì)宇宙的真實(shí)觀(guān)測(cè)。

暗物質(zhì)理論波及極廣。宇宙出現(xiàn)的科學(xué)解釋、星系和黑洞的進(jìn)化以及物理學(xué)的基本理論都受暗物質(zhì)理論的影響。事實(shí)上，即使在學(xué)術(shù)界，對(duì)暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)也是一片混亂，各種論證和解釋糾纏在一起，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的成果。

暗物質(zhì)源于這樣一種假設(shè)：宇宙符合愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論場(chǎng)方程的描述，牛頓引力（也就是我們?cè)诘厍蛏蠝y(cè)量到的引力）在宇宙中是無(wú)時(shí)無(wú)處不在的。這種假設(shè)進(jìn)一步推理出宇宙中的物質(zhì)都來(lái)自最初的宇宙大爆炸?；谶@種推理的模擬實(shí)驗(yàn)更具體地預(yù)測(cè)出宇宙結(jié)構(gòu)如何快速形成，并預(yù)測(cè)出星系和星系中恒星的運(yùn)動(dòng)模式。與真實(shí)觀(guān)測(cè)結(jié)果相比，根據(jù)這些模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出

一種結(jié)論——已知物質(zhì)產(chǎn)生的引力無(wú)法解釋星系和恒星的真實(shí)運(yùn)動(dòng)模式，宇宙中肯定有其他物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力。而看不見(jiàn)的暗物質(zhì)正好為這種不一致提供了解釋。目前科學(xué)家通常把這種模式（即愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和暗物質(zhì)，一般被稱(chēng)為“零假設(shè)”）作為研究的起點(diǎn)，然后通過(guò)具體的星系運(yùn)動(dòng)計(jì)算來(lái)檢測(cè)結(jié)果。

我在20世紀(jì)90年代末偶然進(jìn)入了這個(gè)領(lǐng)域，那時(shí)我正在研究圍繞太陽(yáng)系的小衛(wèi)星星系的運(yùn)動(dòng)模式。從觀(guān)察結(jié)果來(lái)看，我們預(yù)計(jì)這些小衛(wèi)星星系肯定會(huì)包含大量暗物質(zhì)，應(yīng)該是可見(jiàn)星系的10倍至1000倍。然而在計(jì)算過(guò)程中有一點(diǎn)讓我非常費(fèi)解，那就是模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和實(shí)際觀(guān)測(cè)結(jié)果非常接近，但是我的模擬實(shí)驗(yàn)肯定是沒(méi)有任何暗物質(zhì)存在的?？磥?lái)觀(guān)測(cè)者對(duì)衛(wèi)星星系內(nèi)的星球運(yùn)動(dòng)做出了錯(cuò)誤的推理，暗物質(zhì)并不是用來(lái)解釋星系結(jié)構(gòu)的必備條件。

這些研究結(jié)果發(fā)表之后，我馬上體會(huì)到了不“隨大流”意味著什么。盡管批評(píng)紛至沓來(lái)，但我沒(méi)有放棄對(duì)這些結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行研究，幾年之后又發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)大問(wèn)題：已知的衛(wèi)星星系呈圓盤(pán)狀分布，和銀河系的相對(duì)位置是垂直的；暗物質(zhì)理論的模式卻預(yù)測(cè)說(shuō)最初的矮星系可以從任意方向跌入銀河系，所以應(yīng)該是球狀分布。這個(gè)發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一次大辯論，主流研究者認(rèn)為盤(pán)狀分布的衛(wèi)星是不存在的、不重要的或者是不能用來(lái)測(cè)試星系運(yùn)動(dòng)模式的。

這期間，天文學(xué)家不斷確認(rèn)新的矮星系，其盤(pán)狀結(jié)構(gòu)的分布越來(lái)越明顯。斯特拉斯堡天文臺(tái)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(pán)狀分布的衛(wèi)星星系。我在波恩大學(xué)的工作團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)仙女座和銀河系的衛(wèi)星星系看起來(lái)處在同一直線(xiàn)上，而且整體結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)。埃爾貝塔及其團(tuán)隊(duì)最終確認(rèn)：實(shí)際觀(guān)測(cè)到的太空物質(zhì)和暗物質(zhì)理論的預(yù)測(cè)并不相符。

還有更多的問(wèn)題：從理論上說(shuō)，當(dāng)一個(gè)有暗物質(zhì)暈的矮星系穿越更大星系的暗物質(zhì)暈時(shí)，暗物質(zhì)就會(huì)吸收運(yùn)動(dòng)能量，矮星系就會(huì)掉入大星系的中心，這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)像玻璃球掉進(jìn)蜂蜜中。很多天文學(xué)家研究這個(gè)過(guò)程，稱(chēng)其為“動(dòng)力摩擦”。但是這種現(xiàn)象在真實(shí)天文學(xué)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中并沒(méi)有體現(xiàn)，說(shuō)明我們期待的暗物質(zhì)暈并不存在。近來(lái)，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)俄亥俄分校以斯泰西·麥高為首的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)文說(shuō)，螺旋星系的旋轉(zhuǎn)模式和同樣結(jié)構(gòu)的、僅由可見(jiàn)星體構(gòu)成的星系的旋轉(zhuǎn)模式幾乎相同，再次對(duì)“零假設(shè)”提出了挑戰(zhàn)。

基于這些研究成果，我提出必須放棄“零假設(shè)”。那么用什么來(lái)替代呢？我們需要做的第一步就是重新審視牛頓萬(wàn)有引力的實(shí)效性。米爾格羅姆在20世紀(jì)80年代初指出，對(duì)牛頓定律稍加修訂，星系群和星系中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)模式是不用暗物質(zhì)理論也能解釋得通的。這種方法被稱(chēng)為修正牛頓引力理論（MOND）。米爾格羅姆的修正在于：當(dāng)局部重力加速度達(dá)到極低的閾值時(shí)，萬(wàn)有引力的變化會(huì)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(chǎn)生變化）。米氏修正的這個(gè)極限值也許與“暗物質(zhì)”這類(lèi)宇宙物質(zhì)的特性一樣，是造成宇宙加快擴(kuò)張的原因。

這些現(xiàn)象表明，空間、時(shí)間和物質(zhì)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(shè)進(jìn)行研究，部分原因是這樣做意味著質(zhì)疑廣義相對(duì)論的正確性。此外，空間量子物理學(xué)和質(zhì)量的本質(zhì)也在星體運(yùn)動(dòng)解釋中占有一席之地。從實(shí)際觀(guān)測(cè)和理論研究?jī)蓚€(gè)方面來(lái)看，MOND有自身缺陷，最大的不足之處在于不能與廣義相對(duì)論對(duì)接。由于當(dāng)今暗物質(zhì)理論的盛行，少有科學(xué)家使用米氏理論：年輕科學(xué)家擔(dān)心因此找不到工作；資深科學(xué)家怕拿不到科研經(jīng)費(fèi)。

我的研究小組和斯特拉斯堡的貝諾特·弗莫一起堅(jiān)持致力MOND的研究，也的確因此損失了不少科研經(jīng)費(fèi)。但是我們?cè)陔娔X上模擬的宇宙運(yùn)動(dòng)模式和真實(shí)觀(guān)測(cè)到的無(wú)比接近，這讓我們興奮不已。MOND可能會(huì)成為在牛頓和愛(ài)因斯坦研究基礎(chǔ)之上的萬(wàn)有引力研究的新進(jìn)展。近年發(fā)現(xiàn)的引力波帶來(lái)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(duì)引力波的研究可

以為細(xì)化MOND帶來(lái)必要的數(shù)據(jù)，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。