万一暗物质不存在，物理学会迎来一场革命吗？

2022-07-21 03:07

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什么是暗物质？没人知道。它从未被观察到，而是科学家为了解释物理理论与天文观测之间的差异，不得已“发明”了的一种物质，到了后来甚至认为暗物质的总量占到了宇宙的85%。多年来，科学家们一直在使用各种越来越复杂的技术试图弄清楚这种神秘物质是什么，至少是证明其真的存在。但是，另一些物理学家则认为，暗物质可能根本不存在，天文观测的问题可以想出另外的办法来解释。

星系边缘的天体往往“不按套路出牌”，这令天文学家和物理学家头痛不已。

图源：scitechdaily.com

天体的轨道速度随与到引力中心距离的增加而减小，这一规律在解释太阳系等系统的天体运行的规律时一直都很有效。然而，当观测的范围扩展到螺旋星系和星系团的星系自转时，上世纪的威廉·汤姆森等科学家发现，距离引力中心比较远的恒星的轨道速度几乎不随到星系中心的距离的改变而变化，因此该速度要远大于牛顿定律的给出的计算结果。对于这一现象，Jan Oort、Fritz Zwicky和Vera Rubin等天文学家认为这说明星系中应当存在着具有大量质能的不可见物质。这种物质被Fritz Zwicky称为“丢失的质量”，它还有一个更耳熟能详的名字——暗物质。

几十年来，科学家们一直都在寻找暗物质。其中最有希望的候选体是大质量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，WIMP），这种粒子只能通过弱相互作用和引力与其他物质产生作用，并且其质量比普通粒子大一些。但从来没人发现过它。为了能够直接观测到暗物质，美国、加拿大、意大利、英国和中国都为了排除宇宙射线的背景噪声而在地下设立了暗物质实验室。

中国锦屏地下实验室

图源：https://cjpl.tsinghua.edu.cn/

这些实验采用了不同的方法，而且都探测到了一些现象，但它们都无法完全证明这些现象来源于暗物质。其中，美国CDMS团队的一项实验是目前探测精度最高的，其实验结果与意大利的一项实验结果一致，但其数据却和其他所有实验不符。另一方面，间接观测则主要通过观测暗物质湮灭发出的讯号，但这类观测同样无法证明讯号是100%来自暗物质。所有的这些实验结果都可以用美国CDMS团队的结论来评价：“...分析结果无法被视作WIMP（暗物质最有希望的候选者）的有力证据，但我们不能排除...事件来自WIMP的可能性。”

除去难以观测到暗物质以外，现有的暗物质理论还有诸多例如无法解释棒旋星系的运动、没有考虑其他物质对暗物质的影响等问题。因此，一些科学家认为，与其寻找一种怎么也找不到的物质来解释理论与观测的差异，还不如修改理论本身，于是有了MOND假说（Modified Newtonian Dynamics，即重力理论修正）。这一理论于1983年由以色列物理学家 Mordehai Milgrom 提出。该理论认为，目前的牛顿定律在太阳系等环境下能够适用的原因是这些系统内的天体有着比较高的加速度，但牛顿定律对于距离引力中心非常远、因而向心加速度非常小的星体并不完全适用。MOND并不是一个独立的理论，正如其名，它更多的是一种基于观测而产生的对已有理论的修正。MOND假说的基础公式长成这样：

它和牛顿第二定律的区别在于它在中间加入了一个关于加速度和常数a0的比值的一个未知方程μ(x)。μ(x)的特点是当x非常大时，μ(x)趋近于1；而当x趋近于0时，μ(x)趋近于x。所以在加速度很大的情况下F=ma。而在加速度非常小的情况下，引力像观测到的数据那样和加速度的平方成正比；又根据向心加速度的计算公式，可以得到速度和与中心的距离在这时无关，这就解释了轨道速度不随距离变化的现象。

MOND理论的支持者往往会强调它在实践中比较高的准确度。根据一篇于今年6月27日发表在MDPI旗下期刊 Symmetry上的论文，来自苏格兰大学物理联盟的 Indranil Banik 等物理学家分别用29组和32组天文观测数据检测了MOND和包括暗物质的标准宇宙模型。而最终的结果是MOND在理论灵活度（理论灵活度低表明自由参数更少，理论更准确，得分更高）和模型贴合度（模型贴合度越高表明和实际观测越相符，得分越高）的综合得分要远超标准宇宙模型。Indranil Banik等认为这说明MOND是比暗物质更好的理论，进而得出暗物质的量要至少远低于预期的结论。

尽管对现实数据的预测更精准，MOND假说并不能排除暗物质存在的可能。首先，即使MOND是对的，由于无法完全解释宇宙中的残余质量差异，暗物质依然很有可能存在。而且对于一些现有的观测来说，暗物质要比MOND更符合现实。但是MOND假说也在不断发展，2020年，两位捷克理论物理学家Constantinos Skordis 和Tom Złośnik 在预印本网站上分享了他们对MOND理论的改进。他们在最大的宇宙尺度上添加了一个额外的场，相当于MOND理论的相对论版本（relativistic version of MOND），被称为RMOND理论。这个理论对MOND作出了更多的改进，使其能够符合宇宙微波背景辐射的观测结果。

WIMP候选粒子的质量可能在质子质量的1倍到1万倍之间。现在，对WIMP的搜寻已经抵达了一个关键节点。不久之后，现有的大多数暗物质实验将会寻遍WIMP理论上可能存在的质量范围。如果到那时还没有发现，要么是现有的探测手段根本无法发现WIMP，要么暗物质根本不是WIMP……要么，暗物质可能根本就不存在。

随着实验的推进，暗物质变成下一个“以太”的可能性正在增加。在未来，RMOND理论是否又能成为一个世纪前的狭义相对论，为我们开启一个新的物理学的黄金时代？最终答案的揭晓已经不远了。