否定暗物质

关于宇宙，大多数宇宙学家认为，你所见并非你所得。事实上，对宇宙大爆炸残余光线的最新调查表明，宇宙中超过84%的物质是“暗”物质：一种与构成我们日常世界及其其中物体的普通原子不同的奇异粒子。

根据当前的理论，暗物质在星系、星系团以及更大结构的形成中起着主要作用，并且它提供了维持这些结构完整所需的引力粘合剂。迄今为止观测到的无数星系中，恒星围绕星系中心运行的速度如此之快，以至于仅靠引力不足以阻止星系分崩离析。当引入隐藏的、看不见的物质来将星系维系在一起时，这个图景就变得更加合理了。此外，通过遵循大约5份暗物质对1份普通物质的配方，宇宙的计算机模拟在很大程度上重现了我们今天看到的宇宙。

然而，有一个相当大的问题。没有人检测到过一个暗物质粒子，也没有人能确定它是由什么构成的。“为什么所有的暗物质探测都空手而归？”美国克利夫兰凯斯西储大学的天文学家斯泰西·麦戈（Stacy McGaugh）问道。他的答案与传统观念背道而驰：“它可能根本不存在。”

在过去的二十年里，麦戈不情愿地扮演了怀疑者的角色。他曾经和大多数同行一样是暗物质的狂热爱好者，但当他意识到基于这种看不见物质的模型与他在星系中观察到的现象不符时，他在20世纪90年代中期开始失去信心。

取而代之的是，麦戈正在考虑一个名为“修正牛顿动力学”（MOND）的理论。尽管许多天文学家认为它是一种亵渎，但MOND在描述星系中恒星和气体的运动方面，一直优于暗物质模型。这个替代理论并没有依赖于新的、假设性的物质类型，而是仅仅调整了艾萨克·牛顿的引力定律，以在需要时加强引力。MOND的支持者认为，如果引力遵循的规则与我们所认为的不同，我们可能就能解释星系动力学以及宇宙中其他令人费解的方面，而无需引入暗物质。

改变规则

以色列魏茨曼科学研究所的理论物理学家莫代凯·米尔格龙（Mordehai Milgrom）在30多年前提出了MOND，作为暗物质的替代方案。当时，米尔格龙正在研究其他星系中的恒星速度。他说，通常情况下，“你期望星系中心的物体旋转速度更快，而离中心越远的物体旋转速度越慢，但人们并没有观察到这一点。”相反，速度趋于平缓，随着远离星系中心而保持不变。

如果暗物质导致了如此均匀的旋转速度，那将需要一种极度精确的不可见物质分布——米尔格龙称之为“极端的精细调整”。“这就像把100块积木扔到地板上，然后你就会看到一座城堡。”米尔格龙认为MOND提供了一个更合理的解释：“你不需要隐藏的质量。”他认为，通过修正我们对引力的理解，就可以解释所需的效应。

米尔格龙的构想MOND，在某种程度上类似于爱因斯坦的引力理论——广义相对论，对牛顿的引力定律进行了扩展。在引力不是很强的地方，广义相对论的预测与牛顿定律相同，但在极端环境下，例如在黑洞附近，它会产生不同的结果。MOND做了类似的事情，只不过它在不同的地方取代了牛顿——在引力场较弱的地方。

例如，牛顿定律在地球表面附近和描述太阳系中的行星运动时效果很好，因为那里的引力相对较强。然而，在描述星系中恒星的运动时，这些定律的效果就不那么好了，因为星系中的恒星分布得很分散，引力要弱得多。米尔格龙注意到，在像这样的稀疏系统中，当引力加速度低于一个特定阈值（10^-10 米/秒^2，比地球上感受到的引力弱1000亿倍）时，牛顿定律就开始失效并做出不可靠的预测。

米尔格龙设计了一个简单的方程，即所谓的MOND公式，来描述物体移动的速度如何取决于其受到的引力和加速度。简单来说，当加速度高于10^-10的阈值时，适用牛顿引力；低于该阈值时，适用MOND修正后的版本。该公式还为这两种物理状态之间的平滑过渡提供了依据。

谨慎的接受

当米尔格龙在1983年的一篇论文中首次提出MOND时，它受到了冷漠的对待——这种反应在很大程度上一直持续到今天。“一开始，MOND几乎被所有人忽略了，”米尔格龙回忆道。“这并不不公平。这是正确的态度。异端理论应该受到严格的审视。”

这正是麦戈的反应。他第一次听说MOND是在1995年，当时他还是剑桥大学的博士后研究员，米尔格龙去那里讲学。麦戈几乎 Skipping 了那场讲座，因为他不想把时间浪费在“疯话”上，即推翻已知的引力定律。

但他还是去了，当米尔格龙讨论“低表面亮度”星系时，他的兴趣被激发了——这类星系的恒星密度远低于像银河系这样的正常旋涡星系。这些星系是旋涡星系较小、拉伸的版本，恒星分布得非常稀疏——引力因此非常弱——这为MOND提供了一个很好的测试。米尔格龙使用MOND方程来预测这些星系中恒星的旋转速度。

当时正在研究低表面亮度星系的麦戈，手中已经有了数据，他认为这些数据将“永远地证伪这个愚蠢的想法”。他将米尔格龙的预测与他的数据进行了比较，“结果真是令人震惊，它们全都实现了。”这个发现让麦戈目瞪口呆。

这位自称是暗物质“真正的信徒”几乎无法入睡，他试图弄清楚MOND的古怪预测为何能得到证实，而似乎有如此多的证据支持暗物质。他花了近一周的时间进行深刻反思，才克服了震惊，接受了MOND在此次事例中的成功可能并非偶然。

从那时起，麦戈决心在各种天文和宇宙学条件下检验MOND，以尽可能严格地找出米尔格龙的理论有多大的准确性。“我的角色是他的理论家的客观观察者，”麦戈说。

尚未完全成功

加州大学圣克鲁兹分校的宇宙学家安东尼·阿奎莱（Anthony Aguirre）表示，根据迄今为止收集到的证据，“MOND在预测星系动力学方面取得了令人印象深刻的成功。”但它尚未成为主流理论是有原因的。

MOND在描述更大尺度上的宇宙（如星系团，特别是包含数十个明亮星系和数百个更暗淡星系的“富集星系团”）时，效果并不理想。麦戈承认，MOND对富集星系团的预测偏差了2倍，这意味着你需要看到两倍于现有质量的物质才能解释星系运动。

为了弥补这一不足，一种观点认为，星系团可能蕴藏着出乎意料大量的 the neutrinos——另一种难以捉摸的隐形粒子。但与暗物质粒子不同，the neutrinos 是普通物质，已知其数量巨大。麦戈说，宇宙中有足够的隐藏的普通物质，足以解决这个问题，而无需诉诸未知的暗物质。

MOND的另一个缺点是，与广义相对论不同，它没有提供令人信服的物理原因来解释MOND效应为何会发生。有解释MOND为何有效的理论，但没有人确切知道哪个（如果有的话）是正确的。米尔格龙希望通过发展一个更广泛的引力理论来解决这一缺陷，该理论应结合广义相对论和MOND的方面，同时完全消除暗物质。他早在2009年就提出了一个兼容相对论的MOND版本，尽管另一位名叫雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）的希伯来大学理论物理学家在五年前就提出了一个类似的理论——TEVIS。“TEVIS效果相当不错，”贝肯斯坦说，但与MOND一样，它无法解释真正大尺度的结构的行为。“也许会有一个聪明人出现，能够成功，但这还没有发生。”

麦戈承认，“这是一个非常棘手的问题。”“我至少可以想象一个更普遍的理论，它包含了广义相对论和MOND，其中MOND适用于一个特殊情况，而广义相对论适用于其余情况。”他自己也尝试过，但进展不大，并指出“有些人不认为这是一个有效的问题来研究。”不幸的是，在宇宙学家中，这种态度几乎延伸到所有涉及修正引力的领域。

主流之外

麦戈对非主流MOND的调查使他面临职业上的困境和大量的批评。“我遭受过的轻视比大多数人经历的都多，”他俏皮地说。“新一代的学生被培养成相信暗物质，他们经常认为我一定是某种疯子。”

不过，他和米尔格龙并不是唯一认真对待MOND的人。其他受人尊敬的物理学家也加入了进来，包括来自比利时、法国、荷兰、英国、美国等地的当代研究人员。总共有100多名天文学家发表了关于该主题的科学论文。

麦戈还受到这样一个事实的鼓舞，即与其他曾经存在又消失的替代理论不同，MOND的表现出奇地好。尽管过去30年来一直有人在努力证明其错误，但没有人 unequivocally 地证伪了它。但麦戈也认识到，归根结底，公众舆论——即使是在科学家群体中——在很大程度上是无关紧要的。“最终，”他说，“科学不是一项共识性的事业。数据说了算。”

这就是他一直关注的——数据。他跟着数据走，尽管它带他走上了一条出乎意料的曲折之路。他的大部分研究都与星系有关，而星系恰好是他的专业领域。他将低表面亮度星系的研究扩展到“基本上所有类型的星系”，他说道，例如更致密的、高表面亮度星系、甚至更多恒星丰富的旋涡星系和不规则星系——那些不呈现旋涡或椭圆形状的星系。他的结论是？MOND在每种情况下都效果很好。

迈向仙女座

麦戈最近与米尔格龙和其他合作者进行的研究，重点关注了仙女座——距离银河系最近的大星系——的矮小（“矮”）星系。天文学家在仙女座的外围发现了几十个小型、大致呈球形的星系，其恒星以随机方向运行。这些矮星系的恒星密度低（因此引力也低），使得它们成为寻找MOND效应的绝佳场所。

仙女座考古调查（PANDAS）正在利用夏威夷的加拿大-法国-夏威夷望远镜以前所未有的细节探测仙女座。在该调查发现了10个新的矮星系并进行了分析后不久，麦戈和米尔格龙在2013年的一篇论文中根据MOND预测了恒星的运动速度。后来测量了恒星的速度，他们的预测在10个星系中有9个是准确的（最后一个星系恒星太少，无法进行速度测量）。麦戈和他的博士后马塞尔·帕夫洛夫斯基（Marcel Pawlowski）在2014年发表的另外两个附近矮星系的预测也是正确的。

“当你做出预测并得到正确结果时，这就是最好的情况了，”麦戈说。“正如仙女座的测量结果告诉我们的那样，随着数据的改进，与MOND的一致性似乎越来越好。”

他接受MOND仍面临许多挑战的事实。星系团问题仍然存在，以及将MOND与更广泛的引力描述联系起来的困难。另一方面，暗物质模型在解释星系中的恒星运动方面也表现不佳，在某些情况下，模型偏差达100倍。麦戈同意贝肯斯坦的观点，他认为“暗物质模型存在与MOND同等规模的问题。”

至于这最终会将我们带到哪里，麦戈不确定，尽管他比以往任何时候都更确信MOND值得进一步研究。“这个公式具有预测能力，”他说，“所以它一定在告诉我们一些东西。”如果他是对的，其他天文学家可能会觉得值得倾听。