暗物质假说并不完美，但替代方案更糟糕

美国宇航局的一张图片，描绘了一个叠加着红色半圆的星系，代表了据信在那里发现的暗物质质量。

位于中心的小麦哲伦星云（SMC）是环绕我们自己星系运行的第二大卫星星系。这张图像将SMC的照片与其暗物质模型的一半（中心右侧）叠加在一起。较浅的颜色表示密度较大，并显示出朝向星系中心的强烈集中。95%的暗物质包含在一个沿着所示模型外缘的圆圈内。

你可能不是暗物质的爱好者，暗物质是一种假设的粒子，构成了宇宙中的大部分物质。的确，暗物质假说有其缺点，当然，我们还没有发现任何暗物质粒子。但事实是，替代方案要糟糕得多。

宇宙中充满了无法解释的谜团（这是天文学家和天体物理学家快乐工作的原因），其中许多谜团围绕着重力。当我们观察恒星围绕其星系中心运行时，我们发现它们的移动速度太快了，因为有大量的可见物质可以通过重力使它们保持在这些轨道上。

在星系团周围嗡嗡作响的星系也移动得太快，因为星系团中的可见质量太大。这些相同的星团使背景光弯曲得太多。即使在没有额外的质量源的情况下，我们宇宙中的大型结构也出现得太快了。

科学家必须解释所有这些不同观测的最佳假设是，存在一种新的粒子，称为暗物质，居住在宇宙中。这种粒子几乎是完全看不见的（因此得名），很少（如果有的话）与正常物质相互作用。这个想法并不像看上去那么牵强；中微子就是具有这些性质的粒子。他们没有足够的质量来解释暗物质，但他们确实证明了这样的粒子是存在的。

但暗物质假说并不完美。对星系生长的计算机模拟表明，以暗物质为主的星系在其中心应该具有难以置信的高密度。对真实星系的观测确实显示其核心的密度更高，但远没有模拟预测的那么高。此外，对宇宙中暗物质演化的模拟预测，每个星系都应该有数百颗较小的卫星，而观测结果始终不足。

考虑到暗物质假说并不完美，而且我们没有任何候选粒子存在的直接证据值得探索其他选项。

早在20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）就首次发现了恒星在星系内运动过快的问题，并在最初的暗物质概念的基础上提出了这样一种选择。但替代方案并没有给宇宙添加新的成分，而是通过改变重力在银河系尺度上的作用来改变配方。最初的想法被称为MOND，意思是“修正牛顿动力学”，但这个名字也适用于从最初概念衍生而来的一般理论家族。

在行星或太阳系的尺度上，牛顿的引力作用很好（当然，除了需要广义相对论提供的更详细的引力计算）。但一旦你做大了，我们熟悉的通常的F=ma就不太适用了，力和加速度之间的关系遵循不同的规则。

在MOND下，不需要额外的粒子来解释观测结果，只需稍微调整重力即可。由于在MOND下对引力的调整是为了解释星系内恒星的运动，它自然能很好地解释这一点。该理论也没有受到卫星生产过剩和极高的暗物质星系核的影响。

有缺陷的冠军

为了解释恒星运动而对引力进行的修改，在解释星系团内星系的运动和背景光的透镜效应方面存在困难。MOND并不是一个完全相对论的理论（所有现代物理学理论都必须与狭义相对论兼容）。对MOND的一个更新是等价的，称为TeVeS，可以与广义相对论进行正面竞争，但远远不够。基于修正引力的模型在解释宇宙结构的增长、宇宙微波背景的特征等方面有很大的困难——所有暗物质运作良好的地方。

对于暗物质，没有一种类似蒙德的理论可以解释每一次观测；他们都至少有一次考试不及格。当谈到星系旋转曲线时，MOND可能仍然是准确的，但有足够的观测告诉我们，我们仍然需要暗物质存在于宇宙中。

不，暗物质假说并不完美。但话说回来，没有科学假设是正确的。在评估相互竞争的假设时，科学家们不能只凭自己的勇气，或者选择一个听起来更酷或看起来更简单的假设。我们必须跟踪证据，不管它指向哪里。近50年来，没有人能提出一个类似蒙德的理论来解释我们关于宇宙的丰富数据。这并不意味着蒙德错了，但它确实使它成为暗物质的一个弱得多的替代品。

作者：保罗·萨特