“教条”已经影响了对暗物质的研究？

帕维尔·克鲁帕

译/杨晓梅

当今学术界的主流观念认为宇宙的主要物质是不为人眼所见的暗物质，组成宇宙的暗物质颗粒不和辐射发生相互作用，使用任何望远镜都看不到它们。暗物质是如此强大的一个概念，而且大多报道认为它的存在已是事实。但是最近人们对暗物质的存在产生了一丝怀疑。2013年7月，在南达科他州进行的寻找暗物质的LUX实验一无所获——这是人类几十年来在浩瀚宇宙中苦苦寻找暗物质的又一次失败。更有一些调查认为宇宙中根本没有暗物质。这不禁让人困惑不已，因为暗物质这个假设的最初来源就是对宇宙的真实观测。

暗物质理论波及极广。宇宙出现的科学解释、星系和黑洞的进化以及物理学的基本理论都受暗物质理论的影响。事实上，即使在学术界，对暗物质的认识也是一片混乱，各种论证和解释纠缠在一起，并没有实质性的成果。

暗物质源于这样一种假设：宇宙符合爱因斯坦广义相对论场方程的描述，牛顿引力（也就是我们在地球上测量到的引力）在宇宙中是无时无处不在的。这种假设进一步推理出宇宙中的物质都来自最初的宇宙大爆炸。基于这种推理的模拟实验更具体地预测出宇宙结构如何快速形成，并预测出星系和星系中恒星的运动模式。与真实观测结果相比，根据这些模拟实验的结果可以得出

一种结论——已知物质产生的引力无法解释星系和恒星的真实运动模式，宇宙中肯定有其他物质产生强大的引力。而看不见的暗物质正好为这种不一致提供了解释。目前科学家通常把这种模式（即爱因斯坦的广义相对论和暗物质，一般被称为“零假设”）作为研究的起点，然后通过具体的星系运动计算来检测结果。

我在20世纪90年代末偶然进入了这个领域，那时我正在研究围绕太阳系的小卫星星系的运动模式。从观察结果来看，我们预计这些小卫星星系肯定会包含大量暗物质，应该是可见星系的10倍至1000倍。然而在计算过程中有一点让我非常费解，那就是模拟实验的结果和实际观测结果非常接近，但是我的模拟实验肯定是没有任何暗物质存在的。看来观测者对卫星星系内的星球运动做出了错误的推理，暗物质并不是用来解释星系结构的必备条件。

这些研究结果发表之后，我马上体会到了不“随大流”意味着什么。尽管批评纷至沓来，但我没有放弃对这些结果继续进行研究，几年之后又发现了另一个大问题：已知的卫星星系呈圆盘状分布，和银河系的相对位置是垂直的；暗物质理论的模式却预测说最初的矮星系可以从任意方向跌入银河系，所以应该是球状分布。这个发现引发了一次大辩论，主流研究者认为盘状分布的卫星是不存在的、不重要的或者是不能用来测试星系运动模式的。

这期间，天文学家不断确认新的矮星系，其盘状结构的分布越来越明显。斯特拉斯堡天文台的罗德里戈·埃尔贝塔证明了与我们相邻的仙女座有更多明显呈盘状分布的卫星星系。我在波恩大学的工作团队还发现仙女座和银河系的卫星星系看起来处在同一直线上，而且整体结构高度对称。埃尔贝塔及其团队最终确认：实际观测到的太空物质和暗物质理论的预测并不相符。

还有更多的问题：从理论上说，当一个有暗物质晕的矮星系穿越更大星系的暗物质晕时，暗物质就会吸收运动能量，矮星系就会掉入大星系的中心，这个过程有点像玻璃球掉进蜂蜜中。很多天文学家研究这个过程，称其为“动力摩擦”。但是这种现象在真实天文学观测数据中并没有体现，说明我们期待的暗物质晕并不存在。近来，凯斯西储大学俄亥俄分校以斯泰西·麦高为首的研究团队发文说，螺旋星系的旋转模式和同样结构的、仅由可见星体构成的星系的旋转模式几乎相同，再次对“零假设”提出了挑战。

基于这些研究成果，我提出必须放弃“零假设”。那么用什么来替代呢？我们需要做的第一步就是重新审视牛顿万有引力的实效性。米尔格罗姆在20世纪80年代初指出，对牛顿定律稍加修订，星系群和星系中物质的运动模式是不用暗物质理论也能解释得通的。这种方法被称为修正牛顿引力理论（MOND）。米尔格罗姆的修正在于：当局部重力加速度达到极低的阈值时，万有引力的变化会随着距离的减小而变得更慢（而不是像牛顿定律那样随着距离的平方产生变化）。米氏修正的这个极限值也许与“暗物质”这类宇宙物质的特性一样，是造成宇宙加快扩张的原因。

这些现象表明，空间、时间和物质之间有更深层的基本理论仍未确立。现在很少有人使用MOND作为理论假设进行研究，部分原因是这样做意味着质疑广义相对论的正确性。此外，空间量子物理学和质量的本质也在星体运动解释中占有一席之地。从实际观测和理论研究两个方面来看，MOND有自身缺陷，最大的不足之处在于不能与广义相对论对接。由于当今暗物质理论的盛行，少有科学家使用米氏理论：年轻科学家担心因此找不到工作；資深科学家怕拿不到科研经费。

我的研究小组和斯特拉斯堡的贝诺特·弗莫一起坚持致力MOND的研究，也的确因此损失了不少科研经费。但是我们在电脑上模拟的宇宙运动模式和真实观测到的无比接近，这让我们兴奋不已。MOND可能会成为在牛顿和爱因斯坦研究基础之上的万有引力研究的新进展。近年发现的引力波带来更令人振奋的可能性，这些波穿越了宇宙，穿越了米氏的极低阈值区。对引力波的研究可

以为细化MOND带来必要的数据，也能使人们走出教条主义的局限，用更多的方法研究广袤的宇宙。