天文学家在研究遥远星系的旋转时，会立即遇到一个难题。恒星由引力维系在一起，这可以防止它们在星系旋转时被甩入星系际空间。事实上，天文学家可以根据他们能看到的恒星质量来计算引力的大小。
难题在于，这些星系的最外层部分运动得太快了。似乎没有足够的质量来阻止这些恒星飞离。
这种情况没有发生，是现代宇宙学中的一大谜团。某种力量必须维系星系在一起，但天文学家不知道它来自哪里。
他们最好的猜测是，星系必定充满了他们看不见的物质，这些物质对他们能看到的物质施加了引力。而对这种所谓的暗物质的探索是现代科学的伟大事业之一。但尽管经过多年的研究和耗资数十亿美元的实验，没有人直接观测到暗物质。
宇宙之谜
但还有另一种解释。早在20世纪80年代，物理学家 Mordehai Milgrom 就提出，在星系尺度上，牛顿运动定律可能与我们在地球上观察到的定律微妙不同。而这些修正牛顿动力学（MOND）可以在无需暗物质的情况下提供额外的引力来维系星系。
但与暗物质一样，几乎没有证据支持这一观点。各种研究都考察了 MOND 如何影响遥远天体（如冥王星，甚至旅行者和先驱者号探测器）的轨道，但结果并不鼓舞人心。而且许多天文学家不喜欢这个想法，因为它本质上是对牛顿动力学的任意修改。
因此，随着修正牛顿动力学与暗物质之争的起伏，天文学家倾向于支持暗物质的说法。
但伦敦大学学院的 Jonathan Oppenheim 和 Andrea Russo 的工作可能会改变这一点，他们解释了为什么 Milgrom 的 MOND 想法可能最终是正确的。这为 MOND 提供了一个理论基础，将增加其对天文学家和物理学家的吸引力。
这项新工作基于 Oppenheim 几年前提出的一个想法，旨在解决现代物理学的两大基础——量子力学和广义相对论之间不兼容的问题。
量子力学支配着宇宙最小尺度的行为，而相对论则作用于最大尺度。但这两种理论的性质截然相反，量子力学表明宇宙本质上是概率性的，而相对论则暗示宇宙是完全经典的。
这为推导一个量子引力理论带来了困境，而这是一个物理学家尚未解决的问题。
Oppenheim 的想法是，相对论是经典的，但根本上是随机的，他指的是它具有随机性，很像布朗运动，即悬浮在流体中的粒子的随机运动。这使得量子力学和相对论能够以数学兼容的方式结合起来。
新方法的一个结果是，在人类尺度上，引力是完全牛顿式的，正如物理学家所观察到的那样。但另一个结果是，在星系尺度上，引力加速度会以微小但随机的量变化，就好像时空在其中物质上引发了某种布朗运动一样。正是时空的这种随机性产生了维系星系在一起的额外引力。
他们说：“我们证明了这种随机行为导致了低加速度下广义相对论的修正。”“在低加速度区域，引力场产生的加速度的方差……充当熵力，导致了爱因斯坦广义相对论的偏差。”
愿原力与你同在
换句话说，熵力起到了额外物质的作用。“由随机宇宙常数驱动的熵力可以在无需暗物质的情况下解释星系旋转曲线，”他们总结道。
Oppenheim 和 Russo 没有忽略与 Milgrom 想法的相似之处。事实上，他们证明了他们的想法会产生与 Milgrom 相似的预测。而且，新理论不是对牛顿动力学的任意修改，而是将相对论和量子力学结合成一个单一框架的必然结果。
这是一项有趣的工作，对未来检验牛顿动力学性质的实验具有重大潜力。
但 Oppenheim 和 Russo 敦促谨慎。他们指出，除了星系旋转之外，还有其他理由表明暗物质的存在。例如，遥远星系的引力质量就像透镜一样，弯曲经过的光线。这种弯曲的大小表明暗物质必须对这种质量做出贡献。
Oppenheim 和 Russo 表示，在他们的想法获得关注之前，需要进行进一步的研究，特别是通过模拟时空的布朗运动及其对质量的影响。
这将为天文学家带来愉快的几个小时的工作。这可能对那些花费数十亿美元在这里寻找暗物质证据的实验物理学家来说，并不那么愉快。
参考：星系旋转曲线由于随机时空产生的异常贡献：arxiv.org/abs/2402.19459
