挑战爱因斯坦的“暗引力”

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  理論物理学界就像职业拳击赛一样,每位参赛选手都想挑战冠军。
  拳击台的一个角落里坐着的是一位有着乱糟糟白发的老头,他就是我们的冠军爱因斯坦。他在1915年提出的广义相对论,一直是描述引力的最好的理论。从提出到现在,始终未被打败。他的理论可以很漂亮地描述在大尺度下的宇宙运作的情况,不过有一个特别前提——宇宙中得存在一种看不见的物质——暗物质。
  而在拳击台的另一角落里,则是我们最新的挑战者——荷兰物理学家埃里克·韦尔兰德。他提出了另一种描述引力的理论,并声称暗物质不存在。
  那么,韦尔兰德能挑战成功吗?还是爱因斯坦继续创造不败的神话?
  为什么要有暗物质?
  为了理解这个问题,我们先说说暗物质。
  广义相对论认为,质量会弯曲时空,还会使光的路线发生弯曲。此时,弯曲的时空就像一种透镜一样。更多的质量意味着时空弯曲得更严重,所以测量一个空间里有多少质量的方法,就是去测量经过那里的光线的弯曲程度。
  虽然这个方法弯曲适用于单独的天体,例如我们的太阳。但是在更大的尺度下,比如去测量整个星系的质量时,这个方法就不适用了。
  问题是,当你把星系中所有的可见物质——恒星、气体和尘埃等都考虑进去时,会发现这些物质的质量似乎比广义相对论预计的少了很多。也就是说,你会检测到更为严重的光线弯曲。
  于是,为了得到正确的答案,科学家引入了暗物质这个概念。一旦把暗物质计算在内,广义相对论就能继续准确地描述我们的宇宙。
  另外,在计算星系旋转的速度或星系的运动轨迹时,相同的问题也会出现。一旦假设存在暗物质,那么问题就消失了。所以,许多科学家都相信,暗物质是存在的。
  不是暗物质,而是暗引力
  但是,韦尔兰德的理论却不需要暗物质。他认为,引力其实是一种统计量,是许许多多神秘的微观作用力的集体表现,就像温度一样。温度就是一种统计量,是大量分子无规则运动的集体表现。
  起初,他的理论公式基本上就是从牛顿和爱因斯坦那里复制过来的。所以,许多人认为他所提出的应该被视为对引力的一种新的解释,而不是一个新的理论。
  但是在2016年11月,韦尔兰德做了一个更大胆的推测。在他的论文中,他用他自己的理论描述了如何产生一个额外的作用力,来使得引力在更远的距离上有着更多的强度。他认为,这可能解释为何我们可以检测到更为严重的光线弯曲,以及星系为何旋转过快等问题,而不需要用暗物质理论来解释。于是,他把这种额外的作用力称为“暗引力”。
  谁胜谁败?
  最近,来自荷兰莱顿天文台的天文学家首次检验了韦尔兰德的理论。他们用检测光线弯曲的办法,测量了33613个星系的质量,然后再用韦尔兰德的理论和传统的暗物质理论来分析结果。两种理论都得到了正确的答案。
  不过,广义相对论需要假设暗物质的存在,而韦尔兰德的理论不需要事先假设一种未知的东西。这可能使得韦尔兰德的理论略胜一筹。
  但这并不意味着我们可以完全排除暗物质,因为有很多天文学观测是韦尔兰德的理论无法解释的。比如,离我们约有37亿光年远的子弹星系团,其实是两个正发生碰撞的星系团。而这场碰撞导致了暗物质与普通物质出现了分离。如果韦尔兰德的理论是正确的,那么所谓的暗物质应该始终与普通物质相伴随。
  另外一个问题是,韦尔兰德的理论仍然是一个很初级的理论。目前来说,它只适用于一些最基本的情况,比如计算球形物体之间的引力作用等。所以,天文学家在计算中不得不进行许多近似处理,比如尽可能地挑选那些较孤立的星系来分析。这意味着计算的结果包含许多不确定性。
  不过,暗物质理论也有不符合现实的地方。比如暗物质在星系内的分布情况,理论与观测的数据往往不符。
  事实上,两种理论都有很多的近似和猜测,你很难看出哪一方会最终胜出。所以,许多科学家认为,此时此刻,韦尔兰德与爱因斯坦打了个平手。不过,在科学研究中,问题往往不是几个理论之间的争战,而是理论与观测数据之间的争战。当前,韦尔兰德的理论表现得还不错,将来可以继续接受更多的观测数据的挑战。
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