两个多月前，咱们曾在《暗物质会和以太相同，底子不存在吗？》一文中介绍过MOND理论。近来，新版相对论MOND模型在《物理谈论快报》上正式宣布。这种彻底无需暗物质的世界模型在被科学家忽视了30多年后，重回人们的视界。一起，对弱相互效果大质量粒子的搜索也以迫临极限，物理学家又开端寻轴子等暗物质候选粒子，但仍没人找到暗物质。暗物质真的存在吗？前沿科学是否现已走了几十年弯路？

  在天文学家没有细心研讨星系的旋转速度之前，全部如同还能欺骗曩昔。但跟着上世纪60年代末美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）细心测量了旋涡星系M31的旋转速度，理论核算和实践观测之间的差异就再也藏不住了，星系外侧的旋转速度绝比照牛顿引力预言的更快。（在这个尺度上广义相对论等同于牛顿引力）经过10年数据堆集，她在1980年宣布的一篇论文中总结了这一现象，并揣度：要么是存在咱们看不见的物质发生了额定的引力；要么是牛顿引力出了问题。

  传统猜测的（A）与观测到的（B）典型旋涡星系自转曲线比照，横轴为距星系中心间隔（图片来历：Wikipedia）

  暗物质（dark matter）和批改的牛顿动力学（Modified Newtonian Dynamics ，MOND理论）分别是这两个推论的延伸。暗物质假说以为世界中咱们看不见的暗物质，它逐步走向了干流。当今世界学最常用的模型便是ΛCDM模型，全称为Λ-冷暗物质模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。今世世界学家曾在课程中学到的，首要便是这种模型。而以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）则留意到，只要在引力加速度低于10-10m/s2时才会呈现自转速度反常，他以为在这一条件下，牛顿引力不再适用，所以提出了MOND理论。但就算1988年他用自己的理论解说了星系旋转曲线问题，MOND理论至今仍门庭奚落。

  但近来在《物理谈论快报》上宣布的一篇论文或许会改变现状。在这篇论文中，两位捷克理论物理学家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和汤姆·兹沃什尼克（Tom Zlosnik）开发了一种新的相对论版MOND模型。越来越多的科学家也留意到了他们的效果，或许咱们的世界底子不需要暗物质。

  MOND理论被持久忽视是有原因的，最重要的原因是，它无法解说世界微波布景（CMB）。

  世界微波布景辐射是现代天文学最重要的发现之一，它也是世界大爆炸假说最重要的依据之一。瑞士世界学家鲁思·杜尔（Ruth Durrer）曾说：“一个理论有必要和（CMB的）数据相符。这便是它（MOND）的瓶颈。”ΛCDM模型能很好地使用CMB的数据，“世界中重子物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%”这种科学爱好者耳熟能详的定论，便是用ΛCDM模型核算CMB的数据得出的。相反，MOND理论则一向对CMB的数据束手无策，它无法重现CMB的数据。

  除此之外，MOND理论还有一些细节问题，比方它难以解说一些星系中的引力透镜问题。依据广义相对论，大质量物质的引力能够偏折光线，很多物质集合的当地能够构成引力透镜。可是在以子弹星系为首的一系列星系中，天文学家找不到一些引力透镜对应的质量，只能用不可见的暗物质解说。不过2004年，曾有人提出过一种相对论版MOND理论，该模型能够解说这种“随便”呈现的引力透镜。可是它依然没能战胜那个最要害的问题：解说CMB的数据。

  蓝色部分是由引力透镜核算得出的暗物质散布（图片来历：NASA/CXC/M. Weiss）

  就连本次论文作者斯科迪斯也供认：“假如这个理论不能做到这一点（重现CMB数据），那就底子不值得进一步考虑。”而近来在《物理谈论快报》上宣布的新版MOND模型，其最大的含义便是用相似MOND的理论解说了CMB。

  新版MOND理论假定有两个场充满在整个世界中，它们的一起效果导致了额定的引力。其间一个场是像希格斯场相同的标量场；另一个则是磁场相同的矢量场，空间中每一点都具有特定的方向。

  斯科迪斯和兹沃什尼克设置了理论的参数，让世界前期的引力批改场能发生与暗物质相似的效应，这样就能确保今日观测到的CMB数据能被重现。这两个场会跟着世界时刻的推移而演化，终究引力会变成本来MOND理论描绘的那样。

  美国世界学家斯欧美·麦高（Stacy McGaugh）说：“这是一项革命性的效果，曩昔几十年来，由于MOND理论无法完成斯科迪斯和兹沃什尼克今日做到的事，人们很大程度上都疏忽了这种理论。”

  一旦新版MOND模型处理了CMB的问题，它的优势立马就凸显出来。美国天文学家布伦特·塔利（Brent Tully）和理查德·费希尔（Richard Fisher）在1977年宣布的一篇论文中，提出了一个经历公式，描绘了旋涡星系的光度与旋转曲线外侧速度之间的联系。很简单就能从这个公式得出“旋涡星系所含重子物质和它在较远间隔上的自转速度的4次方成正比”这一联系，这被称为重子塔利-费希尔联系（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理论恰巧就能准确导出BTFR。

  塔利-费希尔联系，与重子塔利-费希尔联系相似（图片来历：Wikipedia）

  暗物质则彻底无法猜测这种联系。假如想在ΛCDM模型的结构内重现BTFR，天文学家有必要从世界前期开端模仿星系，模仿中的星系在经过一百多亿年的演化后，或许能重现BTFR。但假如想严厉重现BTFR，还要在模仿中参加十分严厉的约束，并对旋涡星系的演化机制进行不那么谨慎的批改。直到现在，坚持ΛCDM模型的世界学家还没能经过模仿完美重现BTFR。

  在相似MOND的理论重回人们的视界之前，暗物质现已在世界学范畴充当了30多年的主角。美国世界学家戴维·斯佩奇（David Sperge）表明新的MOND模型过分杂乱，以为新的相对论的MOND模型只要当“暗物质假说的方式十分杂乱时”才值得考虑。学界对ΛCDM模型充满信心，2014年版的《粒子物理学谈论》中写道：“（世界学的）一致模型现已建立起来了，好像没剩余多少空间能对这个范式进行大幅度的批改。”这一“flag”满满的言辞很简单让人想到一个多世纪前的“两片乌云”。这一次，相似的状况会再次演出吗？或者说，物理学家是否现已走了30多年弯路？

  科学家一向都在寻觅暗物质，其间最有期望的候选体是大质量弱相互效果粒子（weakly interacting massive particles，WIMP）。这种粒子只能经过弱相互效果和引力与其他物质发生效果，质量或许在质子质量的1倍到1万倍之间，惯例观测手法无法发现这种粒子。

  但几十年来的暗物质勘探，不过是一遍又一遍改写暗物质或许存在的下限。本年7月初，在马塞尔·格罗斯曼世界广义相对论大会上，我国锦屏地下试验室PandaX试验（“熊猫”试验）发布了PandaX-4T试验的首个暗物质搜索成果，人类又一次没能找到暗物质。反而，根据PandaX-4T试运行95天的数据，暗物质反应截面的上限又被降低了，这意味着理论中存在的WIMP更难被发现了。这似乎嘲笑着物理学家：“想发现WIMP？你们人类的精度还不行。”

  对WIMP的搜索现已迫临极限了，对它的搜索现已抵达了一个要害节点。不久之后，现有的大多数暗物质试验将会寻遍WIMP理论上或许存在的质量范围。假如到那时还没有发现，要么是现有的勘探手法底子无法发现WIMP，要么暗物质底子不是WIMP……要么，暗物质底子就不存在。

  一些现在还在坚持暗物质的世界学家，现已逐步转向WIMP之外的粒子了。其间一个有力竞争者名为轴子（axion），这种粒子比WIMP轻得多。科学家以为中子星火热的中心能发生轴子，当轴子抵达中子星外表时，就会转变为X射线光子，但现在科学家还没有观测依据。本年初在《物理谈论快报》上宣布的一篇论文中，科学家以为能够用这一效应解说中子星较高的X射线辐射。可是，他们现在的数据精度还不行，他们计划用美国宇航局的核分光望远镜阵（NuSTAR）进一步观测。一起，欧洲核子研讨中心（CERN）科学家也将10米长的CERN轴子太阳望远镜（CAST）对准太阳，企图从那里发现轴子的痕迹。

  除此之外，还有科学家以为暗物质或许是复合粒子，“暗夸克”和“暗胶子”能像夸克和胶子那样结合在一起，构成“暗原子核”。还有人以为暗物质底子不是粒子，也或许是世界大爆炸不久后发生的原初黑洞。

  不断推动的试验却在持续减少着暗物质或许存在的空间。英国伦敦玛丽皇后大学代替引力模型专家特莎·贝克（Tessa Baker）表明，假如暗物质勘探器持续一无所得，“咱们就或许看到咱们对这类批改引力模型越来越感兴趣。”而另一边，斯科迪斯和兹沃什尼克则表明，他们能够对星系团和引力波的进一步观测来查验他们的最新模型。

  不论如何，相似MOND的理论和暗物质理论，这两种解说世界实质的理论中，最多只要一个或许是正确的。在前者打破了最大瓶颈的一起，最富期望的暗物质候选体却逐步成为时过境迁，有的科学家乃至转向了其他候选体，暗物质越来越像一个多世纪前假定中光传达的介质“以太”。假如它真的像以太相同不存在，相似MOND的理论又能否像“相对论”相同推翻咱们对世界的认知？让咱们拭目而待。