科學新知/困擾人類100年的「暗物質」 只是個幻覺?

後發座星系團。

根據當今宇宙學的觀點,宇宙中的大部分物質是暗物質。但這種物質與我們日常體驗到的物質十分不同。太陽是太陽系內質量最大的物體,它是由普通物質構成的(質子、中子和電子)。行星、氣體、塵埃、等離子體和恆星殘骸也都是普通物質。

根據星空天文網報導,但暗物質並不是這些東西,構成暗物質的粒子甚至都不包含在所謂的標準模型內。對這個星系團的觀測結果首次向人們表明暗物質的存在。

要解釋我們在宇宙中觀察到的引力現象,暗物質其實並不是唯一方案。還有人試圖透過修改引力理論來達到相同的目的。最著名的莫若『牛頓引力動力學修正(MOdified Newtonian Dynamics,MOND)』及其衍生觀點了,它們是最為流行的暗物質替代方案。

要理解這些觀點,我們必須先回到1800年代,回到『質量丟失』之謎出現之前。那時存在著另一個謎團——天王星和水星之謎。

1600年代以後,牛頓的引力定律在解釋世間萬物方面取得了空前成功。無論是拋擲物的軌跡還是物體的滾動;無論是物體的重量還是擺鐘的走動;無論是船的浮力還是月球的軌道——牛頓的引力學說無往而不勝。

克卜勒的三大定律,是牛頓引力方程的一種特例。把它應用到所有已知行星身上都同樣有效:

1.行星都沿各自橢圓軌道環繞太陽,而太陽處在橢圓的一個焦點中;
2.相等時間內,太陽和運動行星連線掃過的面積相等;
3.行星公轉週期的平方和它們橢圓軌道半長軸的立方成正比。

所有已知行星都嚴格地遵守著這些定律,幾百年來毫無偏差。但1781年發現的天王星成了一個例外。這個新發現的行星在橢圓形軌道上圍繞太陽運行時,其運行的速度與引力定律的預測相比似乎出錯了。

天王星在其被發現後的首個20年內跑得過快。雖然在隨後的20至25年內,速度與預測相符,但接下去天王星就又越跑越慢,根本達不到預測的數值。

是引力定律錯了嗎?可能。但更簡單的解釋是有我們沒有發現的物質——某種『暗』物質——在影響著天王星,使其軌道發生偏移。結果證明的確如此。Urbain Le Verrier和John Couch Adams兩位學者對這顆新行星作出了各自的預測,他們之間還爆發了論戰。然後,Johann Galle和他的助手Heinrich d」Arrest,於1846年9月23日證實了Le Verrier的預測。海王星被發現了。它是首個透過引力影響推算出來的天體。

而在另一邊,是太陽系最內側的行星——水星。積累了幾個世紀的資料提升了天文學家的觀測精度,人們從中發現,這個行星的軌道不但也違反了引力定律,而且更為奇怪。根據克卜勒定律,行星的軌道都是完美的橢圓,太陽則位於其中一個焦點。但由於其他天體的干擾和影響,這個橢圓實際上並不完美,而是會發生進動。

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相同時間內,海王星(藍色)、天王星(黃色)、木星和土星(青色)的運動連線。

人們根據牛頓的引力定律,把所有已知行星(包括海王星),以及地球的分點歲差影響加起來。結果發現,理論的預測與實際觀測結果存在著差異——大約是每100年相差43″。差異雖然細微,但絕非偶然。

這次又當如何解釋?是水星軌道內部存在看不到的質量?還是引力定律的固有缺陷?人們用盡各種方法,在無比靠近太陽的地方尋找新行星——火神星。但一無所獲,火神星並不存在。解決方案直到1915年才姍姍來遲。那一年,愛因斯坦發表了他的《廣義相對論》。

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愛因斯坦預測的水星軌道(藍色)和牛頓預測的水星軌道(紅色)。

時間快進到1970年代,科學的觀測方法在Vera Rubin的引領下有了飛躍。我們已經可以透過觀測單個星系——尤其是側對著我們的星系——來測量它們的自轉速度。持續旋轉的星系一側面對我們而來,會產生藍移;另一側背對我們而去,會產生紅移。我們原本希望能夠發現和太陽系類似的情況——越靠內,恆星的運動速度越快。但結果再次出人意料。

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1919年11月22日的《倫敦插圖新聞》,刊登了愛因斯坦相對論預言被證實的消息。

無論離開中心有多遠,星系各部分的自轉速度都是一個常數。什麼原因?同樣有兩種可能——要麼引力定律需要完善,要麼我們必須假設存在一種看不見的質量。

『牛頓引力動力學修正』是Moti Milgrom於1981年提出的,他發現只要把牛頓引力定律中的加速度作極小的改變——比如1奈米每平方秒的改變——星系自轉曲線就可以得到解釋,而且對所有星系都有效。單從這一點來說,它的確管用,而且相當管用。

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暗物質,則是從另一種可能性入手,假設在標準模型普通粒子之外,在一切由『質子、中子和電子』構成的普通物質之外,還存在著一種新型的物質。為瞭解釋星系的自轉現象,我們必須假設星系沉浸在一個巨大的,由一種不會和光發生作用,不會和電磁力發生作用,既無法自己聚集在一起,又無法和普通物質聚集在一起,只會和引力發生作用的物質構成的暈。這就是暗物質觀點。

暗物質也能夠解釋星系的自轉曲線,但表現得沒有前者那麼好。用最簡單的暗物質模型進行的暗物質暈數字化模擬結果和實際觀測結果並不完全吻合;理論模型中暈的中心過於緻密,而周邊過於蓬鬆。(專業上稱為等溫超出預期。)如果我們只考慮星系的自轉曲線,那『牛頓引力動力學修正』顯然走在了前面。

但宇宙很大,也是一個整體。假如我們想要像廣義相對論取代牛頓定律那樣,提出一個新的理論,就必須遵守三條基本規則:

1.它必須能夠繼承原有理論的所有成就;
2.它必須能夠對新現象或新事件進行解釋;
3.它必須能夠作出新的預測,且這樣的預測能夠透過實驗或觀測加以驗證、確認或排除。這是新理論獨特性的關鍵。

而原有理論的成就體現在很多方面。

困擾人類100年的『暗物質』只是個幻覺?

使光線發生彎曲,能夠產生強弱兩種引力透鏡現象;引力中存在著『夏皮羅』時間延遲效應;引力會使時間發生膨脹並導致紅移;宇宙大爆炸理論框架和膨脹宇宙概念與引力有關;在宇宙的最大尺度上,對星系團內的星系和星系團本身運動的解釋涉及到引力……

在所有這一切面前,『牛頓引力動力學修正』都遭到了驚人的失敗,要麼提供不了預測,要麼預測結果與資料嚴重相悖。也許只有不把它當成一種完整的理論,而只是一種對現象的解釋,『牛頓引力動力學修正』才有存在下去的理由。有許多人致力於開拓『牛頓引力動力學修正』,以使它能夠解釋人們在現實宇宙中的觀測結果,但到目前為止無一成功。包括Bekenstein的『張量-向量-標量引力(TeVeS)』、John Moffatt的『引力修正(MoG)』等。

假如我們保留愛因斯坦的引力定律,而只是加入一個新的要素,加入這種不會發生碰撞的『冷』暗物質,一切都可以得到解釋,包括某些驚人而新奇的差異。

困擾人類100年的『暗物質』只是個幻覺?
哈勃太空望遠鏡拍攝的一個巨型星系團。只有暗物質的存在,才能解釋它所呈現出的一系列特殊現象。

我們可以解釋宇宙大尺度結構中的集群方式,包括巨大的『曲線』形態,以及曲線中的『漣漪』。只要我們假設宇宙中存在五倍於普通物質的暗物質即可。

最值得關注的,是我們可以由此獲得一個新的預測:兩個星系團發生碰撞時,星系團內氣體的溫度會升高,速度會慢下來,並釋放出X射線(粉紅色),而我們透過引力透鏡測得的質量(藍色)會因為暗物質的存在而與產生X射線的區域發生分離。這個預測已經在過去十年的觀測結果中得到了證實,成為一種能夠證明暗物質存在的、最令人驚嘆的間接證據。

困擾人類100年的『暗物質』只是個幻覺?
大尺度上的暗物質湮滅輻射分布圖。

『牛頓引力動力學修正』在某些方面的確勝過暗物質假說,它能夠比暗物質更加成功地解釋星系自轉曲線,到今天為止依然如此。但它仍然不能成為一個物理學理論,它也無法與我們的全部觀測結果保持一致。

暗物質理論之所以如此著名,是因為它能夠透過最少的修改,對整個宇宙中所有相關現象作出一致性解釋。『牛頓引力動力學修正』可能是一個線索,也許能夠啟發出一個更為完整的引力理論,的確也有不少人希望有一天能夠由暗物質派生出『牛頓引力動力學修正』現象學,真是非常有野心的計劃!

但在當前,『牛頓引力動力學修正』是失敗的。它有它的追隨者,也有值得去研究的地方,但它還沒有資格替代暗物質理論。除非它有一天能夠重現《廣義相對論》的所有成就,解釋所有已知現象和新現象,並作出可供檢驗的新預測。

困擾人類100年的『暗物質』只是個幻覺?
這四幅影像呈現的,是星系群和星系團碰撞過程中暗物質(藍色)和普通物質(粉紅色)的分離現象。