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暗物質不存在?被忽視的“修正牛頓動力學”,或顛覆我們對宇宙認知!

如果暗物質不存在會怎樣?當然,科學家們從未觀察到它,但他們相信它的存在是由於明顯的引力效應。但是,如果我們目前對引力的理解是完全錯誤的呢?

這個問題在過去的幾十年裡一直被提出——修正的牛頓動力學(Modified Newtonian Dynamics ,MOND理論),但MOND理論有一個太大的盲點,就是無法解釋宇宙微波背景(CMB),即宇宙大爆炸的剩餘輝光,也無解釋星系在更大範圍內發生的情況,因此理論自上世紀80年代提出後就一直被科學家忽視。

然而,捷克科學院的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 Zonik)最近在《物理評論快報》雜誌上發表了一篇論文,他們開發了一種新的相對論版MOND模型,可以解釋為什麼暗物質尚未被檢測到。與之前提出的MOND理論不同,新模型可以匹配宇宙微波背景 (CMB) 的觀測,這是以前類似 MOND的理論所缺乏的一個關鍵細節。

暗物質的反對者,修正的牛頓動力學!

據估計,暗物質佔宇宙總質量和能量的27%,幾乎是構成行星和恆星的“正常”物質的五倍,主導了星系、星系團和宇宙更大尺度結構的形成。而且正因暗物質的引力存在,才使得星系系統崩潰。因為恆星圍繞星系中心運轉的速度之快(整個銀河系以每秒約210公里的速度旋轉),不是星系可見物質所能束縛的,因此科學家相信著背後必然存在暗物質的巨大引力效應在支撐著。

不過這裡有個問題:暗物質很難直接觀察到,行蹤成謎、摸不清本質。到目前為止,試圖弄清楚暗物質本質的努力都沒有取得多大進展。對此,美國凱斯西儲大學的天文學家斯泰西·麥高(Stacy McGaugh)懷疑:也許暗物質根本就不存在。於是他在上世紀80年代產生一個想法,修正牛頓動力學。

但是褻瀆“神”這件事,需要很大的勇氣,而世界從來不缺乏這樣的人。1983年,以色列魏茨曼科學研究所的理論物理學家莫爾德艾·米爾格龍(Mordehai Milgrom)提出MOND理論,在以沒有暗物質的假設前提下,計算出與觀測現象相符的星系盤上的自轉曲線(rotation curve)。而這MOND的理論,將可以幫助我們從已知的星系自轉速度的分佈,與目前觀測到星系的表面亮度的分佈(surface brightness),去反推算出星系所在的距離。

然而,MOND理論存在一個較大的缺陷,也是不被科學家所接受的原因是:在更大尺度的宇宙方面,無法重現宇宙微波背景的資料。而且在細節方面,也無法解釋星系的引力透鏡問題。

新模型補全理論,理論重回視野!

據我們所知,暗物質不相互作用:就像人類走過一個靜止的房間幾乎沒有注意到我們周圍的大氣一樣,暗物質似乎幾乎從未接觸過,甚至是微弱地接觸它盤旋在周圍的正常物質。它僅透過重力與我們的世界聯絡在一起,並且只會牽引其他也具有重力的事物。

但在兩位捷克科學家新提出的 MOND 理論表明,引力實際上是由三個場而不是兩個場產生的——像希格斯場一樣的標量場、像磁場一樣的向量場。研究人員設定引數表明,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。標量場和向量場在經過宇宙時間演化之後,引力最終變成了MOND理論所描述的那樣。

沒有參與研究、哈佛大學天文學家勒布(Avi Loeb)表示,多年來,很難找到適用於銀河系等星系的理論,並找到一種也適用於整個宇宙的理論。舊版MOND 理論的致命弱點是它只適用於星系,但我們知道,當我們觀察宇宙微波背景或非常大尺度的星系分佈時,我們知道暗物質存在的證據,但舊版MOND無法解釋。現在的問題是,科學家是否能夠區分暗物質粒子和這種改良的引力理論,從而得出暗物質發生了什麼的結論。如果這種MOND理論是正確的,那將是一場“重大革命”。

另外,科學家在尋找暗物質的幾十年裡,雖無突破性進展,但是理論上存在各種構成暗物質的候選粒子,比如最熱門的大質量弱相互作用粒子(WIMP)、最有希望的暗物質候選人微中子(Neutrino,已被探測到,但未確定與暗物質的關聯)、為解決 CP 守恆問題而提出的軸子(axion)、打破粒子物理標準模型的惰性微中子(sterile neutrino)、結合廣義相對論與超重力理論的重力微子(gravitino)等。

最後,MOND理論和暗物質理論只能是二選一,至於未來誰能勝出,就交由時間去證明。

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