謝懿

只要談及宇宙，大多數(shù)宇宙學(xué)家都會告訴你，你看到的絕非是全部。事實上，對宇宙大爆炸余輝的最新觀測表明，超過84%的宇宙物質(zhì)是另類的“黑暗”粒子，不同于構(gòu)成我們?nèi)粘Ｊ澜缰谐Ｒ娢矬w的普通原子。

根據(jù)目前正統(tǒng)的觀點，暗物質(zhì)主導(dǎo)了星系、星系團和宇宙更大尺度結(jié)構(gòu)的形成。也正是暗物質(zhì)的引力維系住了這些系統(tǒng)，使之免于瓦解。在迄今觀測到的無數(shù)星系中，以恒星繞星系中心轉(zhuǎn)動的速度之快，單靠該星系中的發(fā)光物質(zhì)根本不足以束縛這些恒星。這暗示存在大量不可見的物質(zhì)維系著星系。此外，通過把暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的比例按照5∶1設(shè)定，對宇宙的計算機模擬能再現(xiàn)出大部分我們今天能見到的宇宙結(jié)構(gòu)。

然而，這里也存在一個重大的弊端。到目前為止，還沒有人探測到一個暗物質(zhì)粒子，也沒有人能肯定暗物質(zhì)到底由什么構(gòu)成。美國凱斯西儲大學(xué)的天文學(xué)家斯泰西·麥高問道：“為什么所有的暗物質(zhì)搜尋都空手而歸？”他的回答與常規(guī)的觀點相悖：“也許暗物質(zhì)根本就不存在。”

在過去的20年里，麥高一直無奈地扮演著懷疑者的角色。和他的大多數(shù)同行一樣，他曾是一個暗物質(zhì)的擁護者。但從20世紀(jì)90年代中期開始，他發(fā)現(xiàn)根據(jù)暗物質(zhì)做出的預(yù)言與他在星系中觀測到的現(xiàn)象并不相符，由此逐漸對其失去了信心。

相反，麥高正在思考另一個想法，被稱為修改牛頓動力學(xué)（MOND）。雖然許多天文學(xué)家認(rèn)為它褻瀆“神”明，但MOND能和暗物質(zhì)模型一樣成功地描述星系中恒星和氣體的運動。不需要假想中的新型物質(zhì)，這個理論僅僅增強了牛頓引力定律中引力的強度。如果引力以不同于我們此前所想的方式運轉(zhuǎn)，那么MOND的倡導(dǎo)者認(rèn)為，在不需要引入暗物質(zhì)的前提下，也能夠解釋星系的動力學(xué)以及宇宙中其他令人費解的現(xiàn)象。

改變規(guī)則

30多年前，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的理論物理學(xué)家莫爾德艾·米爾格龍?zhí)岢隽薓OND理論，用來替代暗物質(zhì)。當(dāng)時，米爾格龍正在研究其他星系中恒星的速度。通常情況下，你會預(yù)期靠近星系中心的天體運動得較快，而距離星系中心隨著到星系中心距離的增加，恒星的速度保持恒定不變。

美國凱斯西儲大學(xué)的天文學(xué)家斯泰西·麥高，他曾是暗物質(zhì)的擁護者。

如果這一勻速轉(zhuǎn)動是由暗物質(zhì)造成的，那就需要對這些不可見物質(zhì)的分布進行出奇精準(zhǔn)的調(diào)整。米爾格龍認(rèn)為，這是一個“極端精調(diào)”的問題，就像把100塊積木隨手扔到地板上，結(jié)果它們恰好堆成了一座城堡。他認(rèn)為，MOND為此提供了一個更合理的解釋，你不再需要不可見的質(zhì)量。通過修改我們對引力的認(rèn)識就能得到同樣的效果。

類似于愛因斯坦的引力理論——廣義相對論，米爾格龍的智慧結(jié)晶MOND也建立在牛頓引力的基礎(chǔ)之上。在引力不太強的地方，廣義相對論的預(yù)言和牛頓引力如出一轍，區(qū)別只在極端環(huán)境下——例如黑洞邊緣——才會出現(xiàn)。MOND的情況也類似，它會在引力極其微弱的地方有別于牛頓引力。

例如，牛頓定律在地球表面附近以及描述太陽系行星上非常成功，這些地方的引力相對較強。然而，對于描述星系中恒星的運動，牛頓引力就有些力不從心了。由于恒星的間隔很大，那里的引力要弱得多。米爾格龍注意到，在與之類似的彌散系統(tǒng)中，當(dāng)引力加速度小于一個特定的閾值——10-10米/秒2——時，牛頓定律會開始失效，做出不可信的預(yù)言。

米爾格龍得出了一個簡單的公式，即MOND公式，來描述在引力和加速度的共同作用下一個天體的運動速度是多少。簡單地說，當(dāng)加速度大于10-10米/秒2時，你會得到牛頓的萬有引力定律;當(dāng)加速度小于這個閾值時，你就會得到MOND。該公式還提供了介于這兩種物理機制之間的平滑過渡區(qū)域。

謹(jǐn)慎接受

1983年，當(dāng)米爾格龍發(fā)表有關(guān)MOND的論文時，迎接他的是冷漠。這一反應(yīng)在很大程度上一直延續(xù)至今?！耙婚_始，幾乎每個人都忽視了MOND，”米爾格龍回憶說，“這雖然不公平，但也是人之常情?！惗恕膶W(xué)說總要度過一個困難時期?！?/p>

這也正是麥高當(dāng)時所做的。他第一次聽說MOND是在1995年，當(dāng)時他是英國劍橋大學(xué)的博士后研究員，米爾格龍正好去那里演講。麥高差一點就沒去聽，因為他不想在推翻萬有引力定律的“瘋狂”演講上浪費時間。

但他還是去了，當(dāng)米爾格龍談及低表面亮度星系時，引起了他的興趣。相比類似銀河系這樣的正常旋渦星系，低表面亮度星系包含的恒星要少得多。這些星系是旋渦星系的縮小稀釋版，恒星非常稀疏，因此引力很微弱，是檢驗MOND的理想場所。米爾格龍使用MOND預(yù)言了這些星系中恒星的轉(zhuǎn)動速度。

當(dāng)時，麥高正在研究低表面亮度星系，他認(rèn)為自己手上已有的數(shù)據(jù)能“一勞永逸地否定這個愚蠢的想法”。他把米爾格龍的預(yù)言與他的數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果和他料想的恰好相反。這一發(fā)現(xiàn)震驚了麥高。

作為暗物質(zhì)的忠實信徒，他幾乎無法入睡，因為他試圖弄清楚MOND的古怪預(yù)言究竟是如何被證實的，而這本該是佐證暗物質(zhì)的證據(jù)。他花了差不多近一個星期來思考，最終平復(fù)下來并接受了這一事實：MOND在這一案例上的成功也許并非僥幸。

此后，麥高致力在各種天文和宇宙學(xué)條件下檢驗MOND，試圖搞清楚米爾格龍的這個想法到底能在多嚴(yán)格的程度上成立。“我的角色一直是客觀的觀察者?！丙湼哒f?；谄袷占降淖C據(jù)，在星系動力學(xué)方面，MOND可以做出眾多正確預(yù)言。但有一個原因使得它仍然無法成為主流理論。

在描述更大尺度的宇宙方面，例如星系團，特別是由幾十個明亮星系和數(shù)百個暗弱星系組成的富星系團，MOND的表現(xiàn)并沒有得到認(rèn)可。麥高承認(rèn)，MOND對富星系團的預(yù)言差了2倍，這意味著你需要2倍的質(zhì)量來解釋觀測到的星系運動。

為了彌補這一缺陷，一個想法是這些星系團中可能擁有意料之外的大量中微子——另一種難以捉摸的不可見粒子。但不同于暗物質(zhì)粒子，中微子是普通物質(zhì)，已知它們會大量存在。如果宇宙能把足夠多的普通物質(zhì)隱藏于中微子中，就可以在不需要暗物質(zhì)的情況下解決這個問題。

MOND的另一個缺點是，它沒有提供令人信服的理論基礎(chǔ)來解釋為什么會出現(xiàn)MOND的有關(guān)效應(yīng)。雖然有一些理論可以解釋MOND背后的工作機制，但沒有人知道（如果有的話）這些理論中哪個是正確的。米爾格龍更樂意把這些不足視為契機，希望由此發(fā)展出一個更為一般的理論，可以包含廣義相對論和MOND的重要特性，進而消除暗物質(zhì)。2004年，以色列希伯來大學(xué)的雅各布·貝肯斯坦提出了一個相對論性的MOND理論，5年之后米爾格龍也提出了自己的相應(yīng)版本。貝肯斯坦的理論很有效，但就像MOND一樣，也無法解釋真正大尺度結(jié)構(gòu)的行為。也許有聰明人可以成功地實現(xiàn)這一點，但目前還做不到。

“這是一個真正困難的問題，”麥高承認(rèn)，“我至少可以想象出一個更一般的理論，它包括廣義相對論和MOND，其中MOND適用于一種特殊的情況，而廣義相對論則適用于其他的情況?！彼救艘仓诌M行了嘗試，但一直沒有成功。有一些人認(rèn)為，這并不是一個值得去攻關(guān)的問題。不幸的是，只要涉及修改引力，宇宙學(xué)家的態(tài)度大都如此。

非主流

對逆潮流的MOND理論的研究使麥高在職業(yè)生涯中遇到很多困難以及批評。“被輕視是家常便飯，”他打趣道，“新一代的學(xué)生從小就相信暗物質(zhì)，他們都認(rèn)為我一定是想入非非了?！?/p>

盡管如此，并非只有麥高和米爾格龍在認(rèn)真而嚴(yán)肅地對待MOND。其他受人尊重的物理學(xué)家也加入了這一行列，總數(shù)已經(jīng)超過了100人。

讓麥高感到振奮的是，和其他來來往往的新引力理論不同，MOND的持久力非常好。盡管在過去30年里付出了不懈的努力，但仍沒有人能明確地否定它。但麥高也承認(rèn)，到最后“審判”的時候，即便是再流行的理論也無濟于事。畢竟，科學(xué)不是為了達成共識而進行的談判，它是由觀測數(shù)據(jù)來決定的法則。

這也正是麥高一直所專注的——數(shù)據(jù)。盡管這已經(jīng)把他送入了一段格外曲折的旅程，但他只跟隨數(shù)據(jù)前行。他的大多數(shù)研究都涉及星系，這正好也是他的專長。他把自己對低表面亮度星系的研究拓寬到了所有類型的各種星系，例如密度更高、表面亮度更高、包含恒星也更多的旋渦星系和不規(guī)則星系，后者不具有螺旋或者橢圓的形狀。他的發(fā)現(xiàn)是，MOND在每種星系中都運轉(zhuǎn)良好。

與預(yù)期相反，觀測到的星系M33的旋轉(zhuǎn)曲線顯示，恒星距離星系中心越遠，運動的速度反而越快。

適用于矮星系

最近，麥高與米爾格龍和其他合作者一起專注于仙女星系周圍的矮星系。仙女星系是距離銀河系最近的大型星系。在仙女星系的外圍，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾十個小型且近似球形的星系，其中的恒星會在隨機的方向上做運動。這些矮星系的低恒星密度及相應(yīng)的低引力使得它們成為探測MOND效應(yīng)的絕佳地點。

使用位于美國夏威夷的加拿大-法國-夏威夷望遠鏡，泛仙女星系考古巡天項目正在以前所未有的精細程度來研究仙女星系。就在這一巡天項目發(fā)現(xiàn)并分析了10個新的矮星系之后不久，麥高和米爾格龍在2013年的一篇論文中根據(jù)MOND對其中恒星的運動速度做出了預(yù)言。此后，天文學(xué)家對恒星的速度進行了測量，結(jié)果顯示在這10個星系中有9個的結(jié)果與預(yù)言一致，另1個星系則因為恒星數(shù)目太少而無法進行速度測量。他們在2014年對另外兩個鄰近矮星系的預(yù)言也得到了驗證。

“當(dāng)你做出預(yù)言，然后被驗證，說明事情在變好，”麥高說，“正如對仙女星系周圍矮星系測量顯示出來的。隨著數(shù)據(jù)的改善，MOND與測量的吻合度似乎也變得越來越好?！?/p>

他承認(rèn)，MOND仍面臨諸多挑戰(zhàn)，這其中包括富星系團問題以及將MOND納入更普適引力理論的問題。另一方面，在解釋星系中恒星的運動上面，暗物質(zhì)模型也好不到哪兒去，在某些情況下可相差100倍。麥高同意貝肯斯坦的觀點，后者認(rèn)為暗物質(zhì)模型和MOND具有的問題在同一量級上。

至于最終究竟會怎樣，麥高并不確定，但他比以往任何時候都更加確信MOND值得進一步研究。“這個理論具有預(yù)言觀測的能力，”他說，“所以它肯定會告訴我們些什么東西?！比绻钦_的，那么其他天文學(xué)家可能會發(fā)現(xiàn)MOND確實值得他們駐足一觀。

暗物質(zhì)時間線

1931年：荷蘭天文學(xué)家揚·奧爾特（JanOort）（1900—1992）

發(fā)現(xiàn)在銀河系外緣處的恒星的軌道運行速度比預(yù)期的快。他認(rèn)為必定有看不見的物質(zhì)維系住了它們。

1933年：瑞士裔美國天文學(xué)家弗里茨·茲威基（FritzZwicky）（1898—1974）

觀測發(fā)現(xiàn)以后發(fā)座星系團中星系的運動速度應(yīng)該已經(jīng)逃逸，除非有額外的物質(zhì)將它們束縛住。

1937年：美國天文學(xué)家辛克萊·史密斯（SinclairSmith）（1899—1938）

在室女星系團中發(fā)現(xiàn)了與茲威基看到的相類似的現(xiàn)象。但1年后他便死于癌癥，年僅39歲。

1966年：日本物理學(xué)家宮澤弘成（HironariMiyazawa）（1927—）

第一個提出了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的超對稱性，它也許可以解釋暗物質(zhì)到底是什么。

1980年：美國天文學(xué)家維拉·魯賓（VeraRubin）（1928—）

發(fā)表了具有里程碑意義的論文，證明在超過100個星系中觀測到了與奧爾特所見相同的現(xiàn)象。我們的近鄰仙女星系也在其中。

1983年：以色列物理學(xué)家莫爾德艾·米爾格龍（MordehaiMilgrom）（1946—）

提出修改牛頓動力學(xué)（MOND）理論，認(rèn)為引力的強度會在不同尺度上發(fā)生變化，以此解釋星系中恒星的轉(zhuǎn)動。

轉(zhuǎn)動。