一对竞争的科学理论：暗物质与修改引力理论.docx

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1、一对竞争的科学理论：暗物质与修改引力理论“暗物质”一直是物理学有待解决的大问题之一。天文学家发现，通过实际观测得到的星系运动速度并不能用常规的动力学理论来解释，需要更多的引力来源，因此提出引入“看不见”的暗物质一这是目前的主流理论。但暗物质现象的解释并非只有这一种，它有一个竞争的科学理论，即修改引力理论（MOND）通过修改牛顿动力学而不引入暗物质来解释暗物质现象。它是一个优秀的理论吗？它的成功与挑战又在何处？本文将对这一理论进行简要介绍，并与暗物质模型理论进行对比。现在的天文学家们发现，我们所熟悉的普通物质只占宇宙总密度的大约4.7%,而95%以上的密度则来自暗物质（约25%）和暗能量（约70

2、%）这两种未知成分。经常有人会问出一个厉害的问题：“你说暗物质的证据来自它的引力，有没有可能你们天文学家把引力弄错了？，一些更有怀疑精神的朋友则说，也许有一天，会发现根本没有什么暗物质，就像没有以太一样。”我觉得这些问题非常好，反映了一种健康的科学怀疑态度。其实，虽然在科普报告或文章中限于时间不一定会提到，但不引入暗物质而试图用新的引力理论解释“暗物质现象”，也是天体物理研究中的一个学派，即所谓修改引力理论学派。01暗物质问题现在所说的暗物质问题最早被发现是在上世纪30年代。当时，在美国加州理工学院工作的天文学家茨维基（FritZZWiCky）测量了一个星系团中各个星系的运动速度。根据这些速度

3、，我们可以推算需要多强的引力才能束缚住它们；另一方面我们也可以测出星系团内星系的总亮度，再根据恒星的平均亮度推算里面有多少颗恒星，进而根据恒星的质量与光度之比（简称质光比）推算出其质量。结果茨维基发现，星系团中的恒星质量产生的引力不足以束缚住这些星系，需要假定星系团中存在很多不发光的物质，其数量可能是恒星数量的很多倍。茨维基将这些不发光的物质称为暗物质。在将近40年时间里,茨维基的暗物质假说虽然广为人所知,但并没有引起太多的关注。星系团是宇宙中星系密度很高的地方，宇宙中只有一小部分星系处在星系团内，大部分星系并不处在星系团中，因此这一现象还不是一个普遍现象。天文学家们看到的各种稀奇古怪、难以解

4、释的现象太多了，在对天体没有一个完整可靠的物理图像或模型的情况下，这不过是一个孤立的现象而已。但是到了上世纪70年代，人们观测了我们所处的银河系和很多其它星系的旋转曲线也就是到星系中心不同距离处的恒星或气体的旋转速度值。恒星或气体的旋转速度应该与它们受到的引力有关，星系中心的恒星密度较高，而越到边缘其恒星密度越低，再加上离中心距离更远，因此距离中心越远处受到引力应该越低，那么其旋转速度也应该越慢。但是，实际观测的结果并非如此，星系旋转曲线大多趋于一个常数，这就是所谓的“平坦旋转曲线工甚至人们使用射电望远镜还可以观看星系的中性氢气体的旋转气体，在星系中这些气体的分布范围比恒星所形成的盘要大不少，

5、因此可以看到这些气体所处的边缘已经几乎没有恒星了，而且这些气体本身的量也不多，按理说这里的引力应该下降了，但是这些气体的转速仍然不下降。如果只考虑星系中可见的恒星（虚线）或气体（点线）分布产生的引力，旋转速度将小于观测值，并且会随着到中心距离增大而下降。暗晕、恒星盘和气体合在一起可以解释观测到的旋转曲线。对于这种现象的一种可能解释就是“暗物质”，一种不发光因而不能被我们看到的物质，假定它们呈球形分布在一个比发光恒星所形成的盘以及气体盘都更大的范围里,构成所谓的暗物质晕。当我们离开星系中心更远时，那里的引力实际上有很大一部分来自这个暗物质晕，那么在一定范围内，这个引力所导致的旋转速度就不会下降。

6、而为了提供这么大的引力，这些暗晕中的物质总量远多于可见的星系盘。正像任何复杂的科学问题样，暗物质的观测证据和理论解释也都有很多技术细节问题，引起了许多争论。但到了上世纪80年代初，随着观测方法的改进和数据的累积，证据越来越有说服力，大部分天文学家接受了宇宙中存在大量（远超过可见物质）的暗物质的观念，暗物质模型成为了主流的研究范式。02修改牛顿动力学当然，也有人不愿随大流。1980年一位34岁的以色列物理学家密尔格罗姆（MOrdehaiMilgrom）利用学术休假到理论物理的圣地一美国普林斯顿高等研究院访问，在此期间他提出了一种新的解释。密尔格罗姆指出，也许，并不存在什么暗物质晕，而是我们习以为

7、常的万有引力定律或运动定律需要修改【2】。此前,人们早已普遍接受了牛顿的万有引力定律。爱因斯坦的广义相对论虽然是对牛顿理论的革命,但它与牛顿理论的区别主要是在运动速度接近光速、或者所涉及的尺度接近时空的曲率半径的情况下才明显。对于星系的旋转曲线来说，牛顿和爱因斯坦理论给出的预测差别很小。不过，无论是牛顿理论还是爱因斯坦理论,其直接的检验都是在太阳系尺度上，而在星系尺度上并未有过直接的实验验证，因此不能排除在这一尺度上引力并不符合牛顿或爱因斯坦理论的可能性。密尔格罗姆提出的模型是一种从经验规律出发的理论。他假定当万有引力的强度（重力加速度的大小）比较大时，物体受到的引力可以用牛顿万有引力的公式描

8、述，但是当其减弱到一定程度时，则偏离标准的牛顿动力学。具体地说，我们所熟悉的物体运动定律是牛顿第二运动定律F=ma,即物体加速度乘以质量等于力。他把这一定律改为(1)F=m(aao)a这里a0是一个理论中的新常数，修正因子(aa)是aa0的一个函数，满足u(x1)1,(x1)x也就是说，在较大的重力加速度下这个修正因子趋于一个常数，与平常的牛顿定律一致。但当重力加速度减小到一定程度时，加速度与力之间就有一个更夏杂的关系。只要满足这个条件，的具体函数形式影响不大，好多不同的取法都能满足要求。当物体远离星系中心时，重力加速度比较小，有了这一修正因子，就可以得到这里ahj是按牛顿万有引力公式算出的引

9、力加速度，而a则是米尔格罗姆理论给出的加速度。代入圆周运动的加速度为a=M2Ix,就得到(3)，=ra(GMa0)%或V4GMa0即在远离中心处旋转速度趋于常数。根据对星系的观测，可得到上式中加速度常数的数值约为a01.210-8cms2(a0的值需要根据观测拟合出来，密尔格罗姆最早给出的值为2x10-8cms-2).这一理论后来一般被称为修改牛顿动力学理论(ModifiedNewtonianDynamics),简称MOND理论。在这一理论中，没有引入暗物质，而是假定普通物质的引力或运动规律与标准理论不同，就能成功地解释星系旋转曲线。至于究竟是物体运动规律(牛顿第二运动定律)、还是万有引力定律

10、(引力大小与距离平方成反比)被修改了，米尔格罗姆认为现在还不能确定，两种可能性都存在。一个好的科学理论，不仅应该能够解释一种现象，而且最好能用同一理论对多种现象给出解释；不仅应能解释已知的现象，而且最好能预测未知的现象，并得到实验或观测的证实.密尔格罗姆发现，使用MOND理论，不仅可以很好地拟合星系的旋转曲线（预测其值趋近于一个常数），而且可以预测，这个旋转速度曲线最后速度的4次方正比于星系中我们观测到的普通物质的质量。而这一点，也得到了后续观测的很好证实。就在这一时期，天文学家TUIIy和FiSher发现，星系的光度与其旋转速度之间存在Lv4的关系.如果做出最简单的假定，即星系的光度与其发光

11、物质的质成正比，那这一关系就完全可以用MoND来解释。相比之下，暗物质模型对TUlly-FiSher关系的解释就免杂得多.虽然暗物质模型中，也可以假定星系的一切均受其暗景质量影响，包括其普通物质的质量、星系的光度和旋转速度都随着暗晕质量增加，因此也能在旋转速度与光度之间找到某种关系，但在最简单的假设下得到的关系是Lv2.而且，在暗物质理论中，这些量之间虽然互相关联，但它们之间并没有严格确定的联系，因此预期这种关系应该有相当大的弥散；而按照MoND理论，这种关系应该是比较精确而没有太大误差的。实测的结果，是这一关系确实比较精确地成立（图5）10.50-0.5-11.822.22.4Iog（Vgt

12、）5.Tully-Fisher关系（图取自网）03修改引力理论的自洽性一个好的科学理论必须自洽,物理学理论必须能对物体在各种情况下的运动给出预测和解释。对于MOND来说，这是一个挑战，因为这个理论是基于经验关系，而不是来自第一性原理，一旦问题超出原来的范围，就不好回答。比如说，上面的理论中只考虑单独一个星系。但是，远处的其它星系会产生如何影响？当然，我们可以做一些简单的假设，比如假定上面公式(2)中的引力加速度a不是仅仅来自一个星系，而是所有星系引力加速度之和，这样本星系产生的引力加速度最大，并且一般来说其它星系影响并不大，因此不会产生太大的影响。但是这也只是一种假设而已，还有很多其它可能性。

13、广义相对论是现代物理学理论的基石,对时空和引力给出了一套自洽且构造严密的完整理论描述，牛顿理论仅是其近似。在广义相对论中，本身已没有牛顿理论中的力了，只有时空的弯曲；物体若不受其它外力，引力作用体现为沿着时空流形的短程线运动。暗物质理论仅仅是引入了一种新的物质成分，并不影响整个时空引力理论，因此与广义相对论没有矛盾。但MoND理论就不一样了，由于它要求修改引力和动力学理论，因此动摇了整个广义相对论的基础；另一方面，MOND对引力的修改是从一个很特殊的观测现象出发，并没有第一性的原理，所以也很难确定，到底对广义相对论做什么样的修改才能得到这样的理论。因此很长一段时间里，人们并没有一个相对论性的M

14、oND理论。而这也导致，MoND的理论预言只能局限在星系动力学范围内。对于宇宙演化、光线偏折(引力透镜)、宇宙微波背景辐射等需要相对论理论才能解决的问题，原始的MOND理论无法给出明确的预测。MOND理论的支持者们当然一直想构建出相对论性的修改引力理论，并做了很多尝试。但直到2002年，另一位以色列物理学家，以提出黑洞燃公式而著称的贝肯斯坦(JacobBekenstein)经过多年研究，才构造出了第一种既满足相对论、又能产生MoND行为的理论。在广义相对论中，描写时空弯曲的是所谓度规张量，而在这一理论中，引入了一个新的张量(tensor)场、一个矢量(vector)场、一个标量(SCaIar)

15、场，以及一个辅助(非动力)标量场，通常的时空度规张量则由这几个量共同决定，因此被简称为张量-矢量-标量(TeVeS)理论叫按照这个理论，一团静态分布的物质可以使粒子具有类似MoND的动力学行为。但是，这个理论由于引入了多种场，其复杂程度超过一般的暗物质模型，毕竟暗物质一般只要一个场就可以描述了。而且TeVeS理论也遇到了一些困难，例如它在用于恒星结构时导致不稳定性，在用于预测宇宙结构增长速度时，得到的结果与观测结果不太一致。特别致命的是，2017年，人们探测到了一对中子星并合时产生的引力波。在这次事件(GWl70817)发生时人们既测到了引力波信号，又几乎同时探测到了伽马射线信号，二者几乎同时

16、到达，说明引力波的传播速度非常接近光速。而TeVeS预测的引力波传播速度低于光速，因此这一模型现在基本可以被排除了。不过，虽然TeVeS理论被实验否定了，但这一理论给了人们启发。不久前，两位捷克物理学家C.Skordis和T.ZIoSnik在分析了TeVeS失败之处的基础上，又构造了一种新的理论，他们称之为相对论MoND(RMoND)理论5,6。这一理论中引入了一个具有复杂的相互作用的矢量场和两个辅助标量场。在这一理论中引力波传播速度等于光速。另外很重要的一点是，暗物质理论认为，无论现在还是早期宇宙暗物质都比普通物质多，因此产生的引力效应比单单由普通物质产生的多。而通常的MC)ND仅在引力加速度弱到一定程度时才起作用，那么在早期宇宙中，由于物质密度比较高，引力加速度也比较大，因此可以推测引力似乎不会被修改，那么这个引力效应就等于普通物质产生的引力，比暗物质模