挑战爱因斯坦的“暗引力”

班子辰

理論物理学界就像职业拳击赛一样，每位参赛选手都想挑战冠军。

拳击台的一个角落里坐着的是一位有着乱糟糟白发的老头，他就是我们的冠军爱因斯坦。他在1915年提出的广义相对论，一直是描述引力的最好的理论。从提出到现在，始终未被打败。他的理论可以很漂亮地描述在大尺度下的宇宙运作的情况，不过有一个特别前提——宇宙中得存在一种看不见的物质——暗物质。

而在拳击台的另一角落里，则是我们最新的挑战者——荷兰物理学家埃里克·韦尔兰德。他提出了另一种描述引力的理论，并声称暗物质不存在。

那么，韦尔兰德能挑战成功吗？还是爱因斯坦继续创造不败的神话？

为什么要有暗物质？

为了理解这个问题，我们先说说暗物质。

广义相对论认为，质量会弯曲时空，还会使光的路线发生弯曲。此时，弯曲的时空就像一种透镜一样。更多的质量意味着时空弯曲得更严重，所以测量一个空间里有多少质量的方法，就是去测量经过那里的光线的弯曲程度。

虽然这个方法弯曲适用于单独的天体，例如我们的太阳。但是在更大的尺度下，比如去测量整个星系的质量时，这个方法就不适用了。

问题是，当你把星系中所有的可见物质——恒星、气体和尘埃等都考虑进去时，会发现这些物质的质量似乎比广义相对论预计的少了很多。也就是说，你会检测到更为严重的光线弯曲。

于是，为了得到正确的答案，科学家引入了暗物质这个概念。一旦把暗物质计算在内，广义相对论就能继续准确地描述我们的宇宙。

另外，在计算星系旋转的速度或星系的运动轨迹时，相同的问题也会出现。一旦假设存在暗物质，那么问题就消失了。所以，许多科学家都相信，暗物质是存在的。

不是暗物质，而是暗引力

但是，韦尔兰德的理论却不需要暗物质。他认为，引力其实是一种统计量，是许许多多神秘的微观作用力的集体表现，就像温度一样。温度就是一种统计量，是大量分子无规则运动的集体表现。

起初，他的理论公式基本上就是从牛顿和爱因斯坦那里复制过来的。所以，许多人认为他所提出的应该被视为对引力的一种新的解释，而不是一个新的理论。

但是在2016年11月，韦尔兰德做了一个更大胆的推测。在他的论文中，他用他自己的理论描述了如何产生一个额外的作用力，来使得引力在更远的距离上有着更多的强度。他认为，这可能解释为何我们可以检测到更为严重的光线弯曲，以及星系为何旋转过快等问题，而不需要用暗物质理论来解释。于是，他把这种额外的作用力称为“暗引力”。

谁胜谁败？

最近，来自荷兰莱顿天文台的天文学家首次检验了韦尔兰德的理论。他们用检测光线弯曲的办法，测量了33613个星系的质量，然后再用韦尔兰德的理论和传统的暗物质理论来分析结果。两种理论都得到了正确的答案。

不过，广义相对论需要假设暗物质的存在，而韦尔兰德的理论不需要事先假设一种未知的东西。这可能使得韦尔兰德的理论略胜一筹。

但这并不意味着我们可以完全排除暗物质，因为有很多天文学观测是韦尔兰德的理论无法解释的。比如，离我们约有37亿光年远的子弹星系团，其实是两个正发生碰撞的星系团。而这场碰撞导致了暗物质与普通物质出现了分离。如果韦尔兰德的理论是正确的，那么所谓的暗物质应该始终与普通物质相伴随。

另外一个问题是，韦尔兰德的理论仍然是一个很初级的理论。目前来说，它只适用于一些最基本的情况，比如计算球形物体之间的引力作用等。所以，天文学家在计算中不得不进行许多近似处理，比如尽可能地挑选那些较孤立的星系来分析。这意味着计算的结果包含许多不确定性。

不过，暗物质理论也有不符合现实的地方。比如暗物质在星系内的分布情况，理论与观测的数据往往不符。

事实上，两种理论都有很多的近似和猜测，你很难看出哪一方会最终胜出。所以，许多科学家认为，此时此刻，韦尔兰德与爱因斯坦打了个平手。不过，在科学研究中，问题往往不是几个理论之间的争战，而是理论与观测数据之间的争战。当前，韦尔兰德的理论表现得还不错，将来可以继续接受更多的观测数据的挑战。