那些暗物质的反对者

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只要谈及宇宙,大多数宇宙学家都会告诉你,你看到的绝非是全部。事实上,对宇宙大爆炸余辉的最新观测表明,宇宙物质中有超过84%的是另类的“黑暗”粒子,不同于构成我们日常世界中常见物体的普通原子。
Steve Nadis 文 Shea 编译

这也许是一条解决现代物理学中最让人头疼谜团之一的新途径。

只要谈及宇宙,大多数宇宙学家都会告诉你,你看到的绝非是全部。事实上,对宇宙大爆炸余辉的最新观测表明,宇宙物质中有超过84%的是另类的“黑暗”粒子,不同于构成我们日常世界中常见物体的普通原子。

根据目前正统的观点,暗物质主导了星系、星系团和宇宙更大尺度结构的形成。也正是暗物质的引力维系住了这些系统,使之免于瓦解。在迄今所观测到的无数星系中,恒星绕星系中心转动的速度之快,单靠该星系中发光的物质根本不足以束缚着这些恒星。这暗示存在大量不可见的物质维系着星系。此外,通过把暗物质与普通物质的比例按照5:1设定,对宇宙的计算机模拟能再现出大部分我们今天所能见到的宇宙结构。

那些暗物质的反对者
[图片说明]:与预期的相反,观测到的星系M33的旋转曲线显示恒星距离星系中心越远,运动的速度反而越高。

然而,这里也存在着一个重大的弊端。到目前为止,还没有人探测到了一个暗物质粒子,也没有人能肯定暗物质到底由什么构成。美国凯斯西储大学的天文学家斯泰西·麦高(Stacy McGaugh)问道:“为什么所有的暗物质搜寻都空手而归?”他的回答与常规的观点相背:“也许暗物质根本就不存在。”

在过去的20年里,麦高一直无奈地扮演着怀疑者的角色。和他的大多数同行一样,他曾是一个暗物质的拥护者。但从20世纪90年代中期开始,他发现根据暗物质所做出的预言与他在星系中所观测到的现象并不相符,由此逐渐对其失去了信心。

相反,麦高正在思考另一个想法,被称为修改牛顿动力学,或简称为MOND。虽然许多天文学家认为它亵渎“神”明,但MOND却能和暗物质模型一样能成功地描述星系中恒星和气体的运动。不需要假想中的新型物质,这个理论仅仅只是增强了牛顿引力定律中引力的强度。如果引力以不同于比我们此前所想的方式运转,那么MOND的倡导者认为,在不需要引入暗物质的前提下,也能够解释星系的动力学以及宇宙中其他令人费解的现象。

改变规则

30多年前,以色列魏茨曼科学研究所的理论物理学家莫尔德艾·米尔格龙(Mordehai Milgrom)提出了MOND理论,用来替代暗物质。当时,米尔格龙正在研究其他星系中恒星的速度。通常情况下,你会预期靠近星系中心的天体会运动的较快,而距离星系中心越远的则速度越小,但实际观测到的却并非如此。随着到星系中心距离的增加,恒星的速度却保持恒定不变。

如果这一匀速转动是由暗物质所造成的,那就需要对这些不可见物质的分布进行出奇精准的调整。米尔格龙认为,这是一个“极端精调”的问题。就像把100块积木扔到地板上,结果它们恰好堆砌成了一座城堡。他认为,MOND为此提供了一个更合理的解释,你不再需要不可见的质量。通过修改我们对引力的认识,就能得到同样的效果。

类似于爱因斯坦的引力理论——广义相对论,米尔格龙的智慧结晶MOND也建立在牛顿引力的基础之上。在引力不太强的地方,广义相对论的预言和牛顿引力如出一辙,区别只在极端环境下——例如黑洞边缘——才会出现。MOND的情况也类似,但它会在引力极其微弱的地方有别于牛顿引力。

那些暗物质的反对者
[图片说明]:MOND理论的提出者物理学家莫尔德艾·米尔格龙(Mordehai Milgrom)。

例如,牛顿定律在地球表面附近以及描述太阳系行星上非常成功,这些地方的引力相对较强。然而,对于描述星系中恒星的运动,牛顿引力就有些力不从心了。由于恒星的间隔很大,那里的引力要弱得多。米尔格龙注意到,在与之类似的弥散系统中,当引力加速度小于一个特定的阈值——1/10 000 000 000米/秒/秒——时,牛顿定律会开始失效,做出不可信的预言。

米尔格龙得出了一个简单的公式,即MOND公式,来描述在引力和加速度的共同作用下一个天体的运动速度该有多快。简单地说,当加速度大于1/10 000 000 000米/秒/秒的阈值时,你会得到牛顿的万有引力定律;当加速度小于这个阈值时,你就会得到MOND。这个公式还提供了介于这两种物理机制之间的平滑过渡区域。

谨慎接受

1983年,当米尔格龙发表有关MOND的论文时,迎接他的是冷漠。这一反应在很大程度上一直延续至今。“一开始,几乎每个人都忽视了MOND,”米尔格龙回忆,“这虽不公平,但也是人之常情。‘异端’的学说总要度过一个困难时期。”

这也正是麦高当时所做的。他第一次听说MOND是在1995年,当时他是英国剑桥大学的博士后研究员,米尔格龙正好去那里演讲。麦高差一点就没去听,因为他不想在推翻万有引力定律的“疯狂”演讲上浪费时间。

但他还是去了,当米尔格龙谈及低表面亮度星系时,他提起了兴趣。相比于类似银河系这样正常的旋涡星系,低表面亮度星系所包含的恒星要少得多。这些星系是旋涡星系的缩小稀释版,恒星非常稀疏,因此引力很微弱,是检验MOND的理想场所。米尔格龙使用MOND预言了这些星系中恒星的转动速度。

麦高在当时正在研究低表面亮度星系,他认为自己手上已经有的数据能“一劳永逸否定这个愚蠢的想法”。他把米尔格龙的预言与他的数据进行了比较,结果和他料想的恰好相反。这一发现震惊了麦高。

作为暗物质的忠实信徒,他几乎无法入睡,因为他试图弄清楚MOND的古怪预言究竟是如何被证实的,而这本该是佐证暗物质的证据。他花了差不多近一个星期的时间来思考,最终他平复了下来并接受了这一事实:MOND在这一案例上的成功也许并非侥幸。

此后,麦高致力于在各种天文和宇宙学条件下来检验MOND,进而搞清楚米尔格龙的这个想法到底能在多严格的程度上成立。“我的角色一直是客观的观察者,”麦高说。

至今还没有

基于迄今所收集到的证据,在星系动力学方面,MOND可以做出众多的正确预言。但有一个原因使得它仍然无法成为主流理论。

在描述上更大尺度的宇宙方面,例如星系团,特别是由几十个明亮星系和数百个暗弱星系所组成的富星系团,MOND的表现并没有得到认可。麦高承认,MOND对富星系团的预言差了2倍,这意味着你需要2倍的质量来解释所观测到的星系运动。

为了弥补这一缺陷,一个想法是这些星系团中可能拥有意料之外的大量中微子——另一种难以捉摸的不可见粒子。但不同于暗物质粒子,中微子是普通物质,已知它们会大量的存在。如果宇宙能把足够多的普通物质隐藏于中微子中,那就可以在不需要暗物质的情况下解决这个问题。
MOND的另一个缺点是,与广义相对论不同,它没有提供令人信服的理论基础来解释为什么会出现MOND的有关效应。虽然有一些理论可以解释MOND背后的工作机制,但没有人知道(如果有的话)这些理论中哪个是正确的。米尔格龙更乐意把这些不足视为契机,由此发展出一个更为一般的理论,可以包含广义相对论和MOND的重要特性,进而消除掉暗物质。2004年以色列希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)提出了一个相对论性的MOND理论,5年之后米尔格龙也提出了自己的相应版本。贝肯斯坦理论很有效,但就像MOND一样,它无法解释真正大尺度结构的行为。也许有聪明人可以成功地实现这一点,但目前还做不到。

这是一个“真正困难的问题,”麦高承认,“我至少可以想像出一个更一般的理论,它包括广义相对论和MOND,其中MOND适用于一种特殊的情况,而广义相对论则适用于其他的情况。”他本人也着手进行了尝试,但一直没有成功。有一些人认为,这并不是一个值得去攻关的问题。不幸的是,只要涉及修改引力,宇宙学家们的态度大都如此。

那些暗物质的反对者
[图片说明]:美国凯斯西储大学的天文学家斯泰西·麦高(Stacy McGaugh),它曾是暗物质的拥护者。

非主流

对逆潮流的MOND理论的研究使得麦高在职业生涯中遇到不很多困难以及批评。“被轻视是家常便饭的事情,”他打趣道,“新一代的学生从小就相信暗物质,他们都认为我一定是想入非非了。”

尽管如此,并非只有麦高和米尔格龙在认真而严肃地对待MOND。其他受人尊重的物理学家也已经加入了这一行列,总数已经超过了100人。

让麦高感到振奋的是,和其他来来往往的新引力理论不同,MOND的持久力是出奇地好。尽管在过去30年里付出了不懈的努力,但仍没有人能明确地否定它。但麦高也承认,到最后“审判”的时候即便是再流行的理论也无济于事。毕竟,科学不是为了达成共识而进行的谈判,它是由观测数据来决定的法则。

这也正是麦高一直所专注的——数据。尽管这已经把他送入了一段格外曲折的旅程,但他只跟随数据前行。他的大多数研究都涉及到星系,这正好也是他的专长。他把自己对低表面亮度星系的研究拓宽到了所有类型的各种星系,例如密度更高、表面亮度更高、包含恒星也更多的旋涡星系和不规则星系,后者不具有螺旋或者椭圆的形状。他的发现是,MOND在每种星系中都运转良好。

施用于矮星系

最近,麦高与米尔格龙和其他合作者一起专注于仙女星系周围的矮星系。仙女星系是距离银河系最近的大型星系。在仙女星系的外围,天文学家已经发现几十个小型且呈近似球形的星系,其中的恒星会在随机的方向上做运动。这些矮星系的低恒星密度及相应的低引力使得它们成为了探测MOND效应的绝佳地点。

使用位于美国夏威夷的加拿大-法国-夏威夷望远镜,泛仙女星系考古巡天项目正在以前所未有的精细程度来研究仙女星系。就在这一巡天发现并分析了10个新的矮星系之后不久,麦高和米尔格龙在2013年的一篇论文中根据MOND对其中恒星运动的速度做出了预言。此后,天文学家对恒星的速度进行了测量,结果显示在这10个星系中有9个的结果与预言相一致,另1个星系则因为恒星数目太少而无法进行速度测量。他们在2014年对另外两个近邻矮星系的预言也得到了验证。

“当你做出预言,然后被验证,说明事情在变好,”麦高说,“正如对仙女星系周围矮星系测量所显示的,随着数据的改善,MOND与测量的吻合度似乎也变得越来越好。”

他承认,MOND仍面临着诸多挑战。这其中包括富星系团问题以及将MOND纳入更普适引力理论的问题。另一方面,在解释星系中恒星的运动上面,暗物质模型也好不到哪儿去,在某些情况下的相差可达100倍。麦高同意贝肯斯坦的观点,后者认为暗物质模型和MOND所具有的问题在同一量级上。

至于最终究竟会怎么样,麦高并不确定,但他比以往任何时候都更加确信MOND值得进一步研究。“这个理论具有预言观测的能力,”他说,“所以它肯定会告诉我们些什么东西。”如果他是正确的,那其他天文学家可能会发现MOND确实值得他们驻足一观。

[Discover 2015年07-08月]

 

内容来自 火流星

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