旋渦星系的自轉速度快於理論預測。（圖片來源：NASA/CXC/SAO/D. Hartmann/JPL-Caltech）
兩個多月前，我們曾在《暗物質會和以太一樣，根本不存在嗎？》一文中介紹過MOND理論。近日，新版相對論MOND模型在《物理評論快報》上正式發表。這種完全無需暗物質的宇宙模型在被科學家忽視了30多年後，重回人們的視野。同時，對弱相互作用大質量粒子的搜尋也以逼近極限，物理學家又開始尋軸子等暗物質候選粒子，但仍沒人找到暗物質。暗物質真的存在嗎？前沿科學是否已經走了幾十年彎路？
在天文學家沒有仔細研究星系的旋轉速度之前，一切好像還能糊弄過去。但隨著上世紀60年代末美國天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）仔細測量了旋渦星系M31的旋轉速度，理論計算和實際觀測之間的差異就再也藏不住了，星系外側的旋轉速度絕對比牛頓引力預言的更快。（在這個尺度上廣義相對論等同於牛頓引力）經過10年資料積累，她在1980年發表的一篇論文中總結了這一現象，並推斷：要麼是存在我們看不見的物質產生了額外的引力；要麼是牛頓引力出了問題。
傳統預測的（A）與觀測到的（B）典型旋渦星系自轉曲線對比，橫軸為距星系中心距離（圖片來源：Wikipedia）
暗物質（dark matter）和修改的牛頓動力學（Modified Newtonian Dynamics ，MOND理論）分別是這兩個推論的延伸。暗物質假說認為宇宙中我們看不見的暗物質，它逐漸走向了主流。當今宇宙學最常用的模型就是ΛCDM模型，全稱為Λ-冷暗物質模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。當代宇宙學家曾在課程中學到的，主要就是這種模型。而以色列物理學家莫德採·米爾格若姆（Mordehai Milgrom）則注意到，只有在引力加速度低於10-10m/s2時才會出現自轉速度異常，他認為在這一條件下，牛頓引力不再適用，於是提出了MOND理論。但就算1988年他用自己的理論解釋了星系旋轉曲線問題，MOND理論至今仍門庭奚落。
但近日在《物理評論快報》上發表的一篇論文可能會改變現狀。在這篇論文中，兩位捷克理論物理學家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和湯姆·茲沃什尼克（Tom Złośnik）開發了一種新的相對論版MOND模型。越來越多的科學家也注意到了他們的成果，或許我們的宇宙根本不需要暗物質。
被忽視的30年
MOND理論被長久忽視是有原因的，最重要的原因是，它無法解釋宇宙微波背景（CMB）。
宇宙微波背景輻射（圖片來源：NASA）
宇宙微波背景輻射是現代天文學最重要的發現之一，它也是宇宙大爆炸假說最重要的證據之一。瑞士宇宙學家魯思·杜爾（Ruth Durrer）曾說：“一個理論必須和（CMB的）資料相符。這就是它（MOND）的瓶頸。”ΛCDM模型能很好地利用CMB的資料，“宇宙中重子物質佔4.9%，暗物質佔26.8%，暗能量佔68.3%”這種科學愛好者耳熟能詳的結論，就是用ΛCDM模型計算CMB的資料得出的。相反，MOND理論則一直對CMB的資料束手無策，它無法重現CMB的資料。
除此之外，MOND理論還有一些細節問題，比如它難以解釋一些星系中的引力透鏡問題。根據廣義相對論，大質量物質的引力可以偏折光線，大量物質聚集的地方可以形成引力透鏡。但是在以子彈星系為首的一系列星系中，天文學家找不到一些引力透鏡對應的質量，只能用不可見的暗物質解釋。不過2004年，曾有人提出過一種相對論版MOND理論，該模型可以解釋這種“憑空”出現的引力透鏡。但是它仍然沒能克服那個最關鍵的問題：解釋CMB的資料。
藍色部分是由引力透鏡計算得出的暗物質分佈（圖片來源：NASA/CXC/M. Weiss）
就連本次論文作者斯科迪斯也承認：“如果這個理論不能做到這一點（重現CMB資料），那就根本不值得進一步考慮。”而近日在《物理評論快報》上發表的新版MOND模型，其最大的意義就是用類似MOND的理論解釋了CMB。
補全的理論
新版MOND理論假設有兩個場瀰漫在整個宇宙中，它們的共同作用導致了額外的引力。其中一個場是像希格斯場一樣的標量場；另一個則是磁場一樣的向量場，空間中每一點都具有特定的方向。
斯科迪斯和茲沃什尼克設定了理論的引數，讓宇宙早期的引力修正場能產生與暗物質類似的效應，這樣就能保證今天觀測到的CMB資料能被重現。這兩個場會隨著宇宙時間的推移而演化，最終引力會變成原本MOND理論描述的那樣。
美國宇宙學家斯泰西·麥高（Stacy McGaugh）說：“這是一項革命性的成果，過去幾十年來，因為MOND理論無法實現斯科迪斯和茲沃什尼克今天做到的事，人們很大程度上都忽略了這種理論。”
一旦新版MOND模型解決了CMB的問題，它的優勢立馬就凸顯出來。美國天文學家布倫特·塔利（Brent Tully）和理查德·費希爾（Richard Fisher）在1977年發表的一篇論文中，提出了一個經驗公式，描述了旋渦星系的光度與旋轉曲線外側速度之間的關係。很容易就能從這個公式得出“旋渦星系所含重子物質和它在較遠距離上的自轉速度的4次方成正比”這一關係，這被稱為重子塔利-費希爾關係（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理論恰巧就能精確匯出BTFR。
塔利-費希爾關係，與重子塔利-費希爾關係類似（圖片來源：Wikipedia）
暗物質則完全無法預測這種關係。如果想在ΛCDM模型的框架內重現BTFR，天文學家必須從宇宙早期開始模擬星系，模擬中的星系在經過一百多億年的演化後，或許能重現BTFR。但如果想嚴格重現BTFR，還要在模擬中加入非常嚴格的限制，並對旋渦星系的演化機制進行不那麼嚴謹的修改。直到現在，堅持ΛCDM模型的宇宙學家還沒能透過模擬完美重現BTFR。
缺席的暗物質
在類似MOND的理論重回人們的視野之前，暗物質已經在宇宙學領域充當了30多年的主角。美國宇宙學家戴維·斯佩奇（David Sperge）表示新的MOND模型太過複雜，認為新的相對論的MOND模型只有當“暗物質假說的形式非常複雜時”才值得考慮。學界對ΛCDM模型充滿信心，2014年版的《粒子物理學評論》中寫道：“（宇宙學的）統一模型已經建立起來了，似乎沒剩下多少空間能對這個正規化進行大幅度的修改。”這一“flag”滿滿的言論很容易讓人想到一個多世紀前的“兩片烏雲”。這一次，類似的情況會再次上演嗎？或者說，物理學家是否已經走了30多年彎路？
科學家一直都在尋找暗物質，其中最有希望的候選體是大質量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles，WIMP）。這種粒子只能透過弱相互作用和引力與其他物質產生作用，質量可能在質子質量的1倍到1萬倍之間，常規觀測手段無法發現這種粒子。
但幾十年來的暗物質探測，不過是一遍又一遍重新整理暗物質可能存在的下限。今年7月初，在馬塞爾·格羅斯曼國際廣義相對論大會上，中國錦屏地下實驗室PandaX實驗（“熊貓”實驗）公佈了PandaX-4T實驗的首個暗物質搜尋結果，人類又一次沒能找到暗物質。反而，基於PandaX-4T試執行95天的資料，暗物質反應截面的上限又被降低了，這意味著理論中存在的WIMP更難被發現了。這彷彿嘲笑著物理學家：“想發現WIMP？你們人類的精度還不夠。”
PandaX-4T重新整理了暗物質反應截面的上限（圖片來源：中科大新聞網）
對WIMP的搜尋已經逼近極限了，對它的搜尋已經抵達了一個關鍵節點。不久之後，現有的大多數暗物質實驗將會尋遍WIMP理論上可能存在的質量範圍。如果到那時還沒有發現，要麼是現有的探測手段根本無法發現WIMP，要麼暗物質根本不是WIMP……要麼，暗物質根本就不存在。
一些現在還在堅持暗物質的宇宙學家，已經漸漸轉向WIMP之外的粒子了。其中一個有力競爭者名為軸子（axion），這種粒子比WIMP輕得多。科學家認為中子星熾熱的核心能產生軸子，當軸子到達中子星表面時，就會轉變為X射線光子，但目前科學家還沒有觀測證據。今年初在《物理評論快報》上發表的一篇論文中，科學家認為可以用這一效應解釋中子星較高的X射線輻射。但是，他們目前的資料精度還不夠，他們打算用美國宇航局的核分光望遠鏡陣（NuSTAR）進一步觀測。同時，歐洲核子研究中心（CERN）科學家也將10米長的CERN軸子太陽望遠鏡（CAST）對準太陽，試圖從那裡發現軸子的痕跡。
核分光望遠鏡陣（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）
除此之外，還有科學家認為暗物質可能是複合粒子，“暗夸克”和“暗膠子”能像夸克和膠子那樣結合在一起，形成“暗原子核”。還有人認為暗物質根本不是粒子，也可能是宇宙大爆炸不久後產生的原初黑洞。
不停推進的實驗卻在持續削減著暗物質可能存在的空間。英國倫敦瑪麗皇后大學替代引力模型專家特莎·貝克（Tessa Baker）表示，如果暗物質探測器繼續一無所獲，“我們就可能看到大家對這類修正引力模型越來越感興趣。”而另一邊，斯科迪斯和茲沃什尼克則表示，他們可以對星系團和引力波的進一步觀測來檢驗他們的最新模型。
不論如何，類似MOND的理論和暗物質理論，這兩種解釋宇宙本質的理論中，最多隻有一個可能是正確的。在前者突破了最大瓶頸的同時，最富希望的暗物質候選體卻逐漸成為明日黃花，有的科學家甚至轉向了別的候選體，暗物質越來越像一個多世紀前假設中光傳播的介質“以太”。如果它真的像以太一樣不存在，類似MOND的理論又能否像“相對論”一樣顛覆我們對宇宙的認知？讓我們拭目以待。
讓基礎物理學的暴風雨來得更猛烈些吧。
撰文 | 王昱
參考文章：
https://physics.aps.org/articles/v14/143
https://aeon.co/essays/we-should-explore-alternatives-to-the-standard-model-of-cosmology
《暗物質探測的最後陣地》，《環球科學》2021年4月號
https://news.ustc.edu.cn/info/1048/76138.htm
《暗物質會和以太一樣，根本不存在嗎？》
參考論文：
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1970ApJ...159..379R/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471R/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/10.1086/166777
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.161302
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.70.083509
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1975BAAS....7..426T/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1137/38/9/090001/pdf
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.021102
