到底有没有暗物质(暗物质被证实存在了么)-东辰安华生活网

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哈勃太空望远镜拍摄的NGC 1052-DF2几乎不含暗物质(来源：NASA)

你可能听说过宇宙中的大部分物质都是暗物质。这种看不见的物质可以提供重力，让宇宙岛保持高速旋转。几十年来，对暗物质的搜寻从未停止，但直到今天，科学家们仍然没有发现它的踪迹。这时，一些科学家开始认为，一个多世纪前，连续的失败让暗物质看起来越来越像以太。当时狭义相对论彻底扼杀了广为流传的以太假说；时至今日，还会有什么理论再扮演这个角色吗？

解读：王宇

校对释义：吴菲

目前宇宙学的标准模型是CDM模型，全称是-冷暗物质模型。顾名思义，它假设宇宙中存在暗物质。目前所有宇宙学家都是在默认的CDM模型下接受教育，被告知宇宙中暗物质比重子物质(也就是普通物质)多。把最新的观测数据带入这个模型，可以计算出宇宙中重子物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%。

几十年来，科学家一直在寻找暗物质。最有希望的候选者是弱相互作用大质量粒子(WIMP)，它只能通过弱相互作用和引力与其他物质相互作用，质量大于普通粒子。但是从来没有人找到过。

本月初，在Marcel Grossman国际广义相对论会议上，中国金平地下实验室的PandaX实验(简称“熊猫实验”)发布了PandaX-4T实验的首个暗物质搜寻结果，人类再次未能发现暗物质。相反，基于PandaX-4T 95天的试运行数据，暗物质反应截面的上限又被拉低了，这意味着理论上的暗物质更难找到了。

然而，在暗物质尚未被发现很久的同时，学术界对CDM模型的信心却越来越坚定。2014年版《粒子物理学评论》 1解读：写道：“(宇宙学的)统一模型已经建立，似乎没有太多空间来大幅修改这一范式。”这种充满言论的“旗帜”，很容易让人想起一个多世纪前的“两朵乌云”。这一次，类似的情况会再次上演吗？或者说，暗物质真的存在吗？

暗物质和蒙德理论

暗物质是在解释银河自转曲线异常时提出的。在20世纪70年代，天文学家发现大量宇宙岛屿的旋转速度与重力计算的速度不匹配。根据观测物质的质量，宇宙岛的自转速度在宇宙岛外应该是下降的。然而，观测到的宇宙岛的旋转速度比重力计算的要大。于是天文学家推测可能存在看不见的物质，它们包裹着宇宙岛，提供额外的引力，使宇宙岛的自转速度保持在较高水平。

没有暗物质的宇宙岛模拟(左)和有暗物质的宇宙岛模拟(右)(视频来源：维基百科)

这种我们看不见却能提供引力的物质就是暗物质。后来暗物质理论经过多次完善，逐渐形成了今天宇宙学的标准模型，——CDM模型。暗物质有很多候选者，比如很轻的轴子、很重的微型黑洞、中子星、白矮星，甚至是流氓行星。最有希望的，也是科学家一直在寻找的是WIMP。WIMP不会参与电磁相互作用，使用电磁波的天文学家也不可能直接观测到。但是，它可以提供重力，并保持宇宙岛的高转速。然而，数十年来对WIMP的寻找，只是一次又一次地证明，其发现难度高于当时的技术水平。

暗物质并不是宇宙岛自转曲线异常的唯一解决方案。还有一种理论叫做修正牛顿动力学，或者叫蒙德理论。1983年，以色列魏茨曼科学研究所的物理学家莫尔德海米尔格罗姆提出了这一理论。他指出宇宙岛的自转曲线中有两点是暗物质无法解释的。第一，自转速度不是简单的大于重力的预测，而是在宇宙岛的中心保持一个相对正常的水平。远离宇宙岛中心时会不断上升，最后趋于一个稳定值。这种现象被天文学家称为“自转曲线逐渐变平”。第二，异常高的转速只有在重力引起的加速度低于特定的非常低的值时才会出现。

这个特定的加速度值被米尔格罗姆称为a0，在太阳系的任何地方，太阳引力产生的加速度都高于这个值。在测量宇宙岛边缘的旋转速度之前，天文学家从未测量过如此微弱的重力。于是米尔格罗姆认真考虑了在这种条件下引力理论出现偏差的可能性。

在1983年发表的三篇论文中，2释义：3释义：4释义：米尔格罗姆对牛顿引力做了简单的修正(在宇宙岛的尺度上，广义相对论计算的引力可以简化为传统的牛顿引力)，并用修正后的牛顿引力再现了自转曲线的特征。几十年来，MOND理论一直是暗物质的替代理论。

理论之间的竞争

这两种理论以完全不同的方式解释了同一现象。假设宇宙中存在看不见的物质，暗物质产生额外的引力，它最有可能的候选者是WIMP；蒙德的理论推测根本不存在暗物质，但我们的引力理论在宇宙岛的尺度上根本不适用。两种理论最多只有一种是正确的。

通常，我们需要通过各种独立测试才能说一个理论是正确的。例如，人类早就通过双中子星PSR B1913 16轨道运行时的能量损失间接证明了引力波的存在。但直到2016年LIGO宣布发现引力波，我们才能说人类发现了引力波。MOND理论不仅可以解释宇宙岛的自转曲线，还可以预言宇宙岛的性质。

天文学家布伦特塔利(Brent Tully)和理查德费希尔(Richard Fisher)在1977年发表的论文5释义中提出了一个经验公式，解释了螺旋宇宙岛的光度与自转曲线最终趋势稳定值之间的关系。这个公式可以很容易地转换成“螺旋宇宙岛所包含的重子物质在很长一段距离内与其自转速度的4次方成正比”，这就是所谓的重子塔利-费希尔关系(BTFR)。MOND理论恰好可以精确推导出BTFR。

暗物质根本无法预测这种关系。如果要在CDM模型的框架内重现BTFR，天文学家必须从宇宙早期开始模拟宇宙岛。经过100多亿年的进化，模拟宇宙岛或许可以重现BTFR。但如果要严格重现BTFR，就不得不在模拟中加入非常严格的限制，对螺旋宇宙岛的演化机制做不那么严格的修改。直到现在，坚持CDM模型的宇宙学家还无法通过模拟完美重现BTFR。

不复存在的致命弱点

但既然如此，为什么CDM模型能成为大多数天文学家认同的理论？这是因为MOND理论有一个不可避免的致命弱点3354，它不符合宇宙微波背景辐射(CMB)的频谱。

微波背景辐射是现代天文学最重要的发现之一，是大爆炸假说最重要的证据之一。宇宙学家露丝杜尔(Ruth Durrer)曾说：“一个理论必须与(CMB的)数据一致。这是它的瓶颈。”模型可以很好的利用CMB谱，它甚至可以通过CMB数据计算出宇宙中含有多少暗物质。相反，MOND理论在建立之初是做不到这一点的。

然而，这种情况已经被改变了。就在去年，两位捷克理论物理学家Constantinos Skordis和Tom zo Nik在预印本网站6 Interpretation上分享了他们对MOND理论的改进。他们在最大的宇宙尺度上增加了一个额外的场，相当于相对论版本的MOND理论，被称为RMOND理论。RMOND理论不需要暗物质，也能完美预测CMB的细节。也就是说，(R)MOND理论的阿喀琉斯之踵已经不存在了。让RMOND理论被广泛接受只有一步之遥。

然而，与CDM模型一样，RMOND理论仍然存在许多难以解释的问题。例如，他们都不能完美地预测宇宙岛屿的运动。而CDM模式的情况似乎更差。很难再现通过观察发现的和由MOND理论导出的BTFR。在这个前提下，一再被调低的暗物质反应截面上限，正在让CDM模型越来越难以实现。

WIMP候选粒子的质量可能是质子的1到10，000倍。现在，对WIMP的搜索已经到了一个关键节点。很快，现有的大部分暗物质实验将搜索WIMP理论可能的质量范围。如果到那时还没有发现，要么现有的探测手段根本找不到WIMP，要么暗物质根本不是WIMP……要么暗物质可能根本不存在。

随着实验的进行，暗物质成为下一个“以太”的可能性越来越大。未来，RMOND理论能否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黄金时代？让我们拭目以待。

纸质链接：

1.解读：https://IOP science . IOP . org/article/10.1088/1674-1137/38/9/090001/pdf

2.解释：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1983apj.270。365米/摘要

3释义：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1983apj.270。371米/摘要

4.解释：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1983apj.270。384米/摘要

5.解释：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1975baas.7。426吨/摘要

6解释：https://arxiv.org/abs/2007.00082

参考链接：

https://aeon . co/essays/we-should-explore-标准宇宙学模型的替代方案