暗物质存在吗？

暗物质是物理学家从未发现过的最无处不在的东西。1969 年，天文学家维拉-鲁宾对观测到的仙女座大星系百思不得其解。

当她通过天文台仔细测量的光谱，绘制出恒星旋转的螺旋臂时，她注意到了一件奇怪的事，银河系外围的恒星似乎运行得太快了。快到她以为它们会逃离仙女座，飞向天外。这些旋转的恒星却停留在原地。

鲁宾的研究扩展到了其他几十个旋涡星系，她的研究导致了一个戏剧性的难题，要么外面还有更多的物质，它们是黑暗的，隐藏在视线之外，但用引力把星系维系在一起。

要么引力在星系这个巨大的尺度上的作用方式与科学家之前的想象大相径庭。

鲁宾的这一重大发现并没有为她赢得诺贝尔奖，但科学家们开始在宇宙中的恒星和气体云周围以及星系的最大结构中寻找暗物质的踪迹。

到了 20 世纪 70 年代，天体物理学家西蒙-怀特认为，他可以用一个模型来解释星系的聚集，在这个模型中，宇宙的大部分物质都是暗物质，其数量远远超过天空中所有恒星中的所有原子。

在随后的十年里，怀特和其他人在这项研究的基础上，在当时并不方便使用的计算机上模拟了假想的暗物质粒子的动力学。

尽管取得了这些进展，在过去的半个世纪里，还没有人直接探测到一粒暗物质。一次又一次，暗物质就像树林中稍纵即逝的影子，始终无法被锁定。

每当物理学家在废弃矿井和南极洲用强大而灵敏的实验寻找暗物质粒子时，每当他们试图用粒子加速器制造暗物质粒子时，他们都是空手而归。

有一段时间，物理学家们希望找到一种叫做弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的理论物质，但对它们的搜索却屡屡一无所获。

随着弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的候选资格夭折，暗物质显然成了物理学家从未发现过的最无处不在的东西。

只要还没有找到，就仍然有可能根本不存在暗物质。另一种可能是：不是大量的暗物质，而是某种神秘的引力在扭曲宇宙。

自 20 世纪 70 年代鲁宾和怀特的全盛时期以来，关于引力在大尺度上表现不同的观点一直被置于边缘地位。

但现在是时候考虑这种可能性了。应该鼓励科学家和研究团队寻找暗物质的替代品。会议和拨款委员会应允许物理学家讨论这些理论并设计新的实验。

无论结果谁是对的，这种关于替代方案的研究最终有助于明确我们不知道的东西和我们知道的东西之间的界限。

它将鼓励我们提出具有挑战性的问题，促进可重复性研究，戳穿理论的薄弱环节，并启发我们对前进方向的新思考。它还将迫使我们决定需要什么样的证据才能相信我们看不见的东西。

20 世纪 80 年代初，以色列物理学家莫迪海-米尔格罗姆对日益流行的暗物质说法提出了质疑。

他在特拉维夫南部的一家研究所工作时，研究了鲁宾等人的测量结果，提出物理学家并没有遗漏物质，相反，他们一直错误地认为自己完全理解了引力的工作原理。

由于外层恒星和气体云绕星系运行的速度比预期的要快得多，因此试图纠正标准引力观比创造一种全新的物质更有意义。

米尔格罗姆提出，艾萨克-牛顿的第二运动定律（描述了作用在物体上的引力如何随物体的加速度和质量而变化）会根据物体的加速度发生微小的变化。

海王星或天王星等围绕太阳运行的行星，或靠近银河系中心运行的恒星，感觉不到这种差异。

但在银河系的外围，恒星感受到的引力会比之前认为的银河系大部分物质产生的引力要小；调整牛顿定律可以为鲁宾测得的速度提供解释，而无需援引暗物质。

开发无暗物质宇宙范式成为米尔格罗姆的毕生事业。他主要是独自研究他的原理论，他称之为修正牛顿动力学（MOND）。

几年多来，只有我一个人在研究。但慢慢地，其他科学家也围了上来。

他和其他几位科学家首先把注意力集中在旋转星系上，在这些星系中，MOND至少能像暗物质理论一样准确地描述鲁宾观测到的现象。

米尔格罗姆及其同事随后扩大了研究范围，预测了星系外部旋转速度与星系总质量（减去暗物质）之间的关系。

天文学家布伦特-塔利和理查德-费舍尔测量并证实了这种趋势，许多暗物质模型都难以解释这种趋势。

当时空以特定方式弯曲时，就会产生暗物质的错觉。尽管取得了这些成功，但米尔格罗姆对牛顿第二定律的修正仍然只是一种近似值，导致他的想法达不到成熟理论的要求。

米尔格罗姆的同事、雅各布-贝肯斯坦对MOND进行了扩展，证明它可以与阿尔伯特-爱因斯坦的广义相对论保持一致，后者预言引力具有弯曲光线的能力，这一观点在一个多世纪前，即1919年的一次日食中得到了证实，如今被称为 "引力透镜"。

大约在同一时期，天文学家埃德温-哈勃注意到，他的同事认为近处的气体云群实际上是更遥远的星系。

在哈勃发现的基础上，其他天文学家证明了更大的宇宙结构的存在，这些结构现在被称为星系团，它们具有像强力透镜一样的作用，能使光线强烈弯曲。

利用基于爱因斯坦预测的公式，可以推断出宇宙透镜的质量。基于这种数学方法，许多物理学家用引力透镜来论证暗物质的存在。

但是贝肯斯坦表明，广义相对论和 MOND 至少也能解释一些已经进行的透镜测量。

即便如此，这些观点也只是部分形成。米尔格罗姆和贝肯斯坦仍然不知道物理学中什么东西可以创造出修正的万有引力定律。

直到几年前，荷兰物理学家埃里克-韦林德开始发展一种被称为 "突现引力 "的理论，以解释万有引力被改变的原因。

在韦林德看来，引力（包括 MOND）的出现是一种热力学效应，与熵或无序度的增加有关。

他的观点也建立在量子物理学的基础上，将时空及其中的物质视为源自相互关联的量子比特阵列。

当时空发生弯曲时，就会产生引力，如果时空以特定的方式弯曲，就会产生暗物质的假象。

韦林德的研究仍有待充实。目前还不清楚修正引力或新兴引力是如何从大爆炸留下的残余辐射中辨别出年轻宇宙的结构的。

天体物理学家已经利用太空望远镜绘制出了辐射的详细地图，但他们还没有找到一种方法，能让没有暗物质的模型与测量结果保持一致。

韦林德说，这种新兴引力的想法还无法与之抗衡，但假以时日，它可能会成为暗物质的真正替代品。

暗物质理论也做出了预测：如果这种形式的物质存在，那么无数的亚原子暗物质粒子就应该经常呼啸着穿过太阳系，穿过地球，甚至偶尔穿过我们的身体。

如果大量的暗物质确实存在，笼罩着宇宙中的每一个星系，同时又看不见摸不着，那么这些难以捉摸的小粒子，通常不会以任何人都会注意到的方式与正常物质发生相互作用。这就使得实际探测它们成为一项艰巨的任务。

当天体物理学家把目光投向天体时，粒子物理学家则试图通过在加速器中制造出似是而非的粒子来揭示暗物质，比如位于瑞士日内瓦的强大的大型强子对撞机（LHC）。

为了重现宇宙大爆炸时的条件，大型强子对撞机以极快的速度将粒子撞击在一起，从而在能量爆发中产生新粒子。这些粒子通过一系列探测器，物理学家就能识别它们。

利用费米实验室的大型强子对撞机及其前身，科学家们设法找到了粒子物理学 "标准模型 "预测的所有 17 种粒子，其中包括除引力以外的所有基本力。

2012年，他们利用大型强子对撞机发现了最后一种标准粒子，希格斯玻色子。费米实验室物理学家丹-胡珀在他的著作《时间的边缘》中写道，由于这一系列的成功，物理学家们对很快也能发现暗物质粒子充满信心。

对暗物质的兴趣催生了新一代的实验，胡珀和他的同事们希望这些实验能最终确定这些神秘的粒子。

世界各地的科学家在地球深处建造了探测器，通常是重新利用旧矿井，目的是找到暗物质粒子，同时避免宇宙射线和太阳粒子的巨大噪音对地面探测器的轰击。

研究人员假设，暗物质粒子可以悄无声息地穿过由氙或其他材料制成的探测器，并以热量的形式留下经过的痕迹。

如果实验按计划进行，科学家们将最终发现暗物质粒子，并预示着宇宙学和粒子物理学进入了一个新时代。

如果暗物质粒子存在，那么要瞥见它们将是极其困难的。但实验并没有发现任何积极的迹象，研究人员最初的希望破灭了。

事实上，无法找到暗物质蛛丝马迹的实验最终只能证明暗物质不是暗物质。随着每一次新实验的进行，非暗物质的范围也在不断扩大。

物理学家们已经开始明白，如果暗物质粒子存在，要想一窥其真面目将是极其困难的。

尤其是 WIMPs，它曾是最受欢迎的暗物质候选者，但现在看来情况不容乐观。

研究人员不断扩大搜索范围，寻找质量越来越小的粒子，然后是更小的粒子，但仍然一无所获。

一些研究小组继续使用灵敏度越来越高的探测器寻找 WIMPs，但再过几年，它们就会达到最微小的质量范围，届时任何假定的暗物质粒子都会与探测器发生相互作用，就像来自太阳的微弱中微子那样，从而使 WIMP 的搜索戛然而止。

到那时，我们就大功告成了。你可以看到，WIMP 的结局就在眼前。这可能会让人们尝试思考新的东西。

如果说 WIMPs 的末日即将来临，那么暗物质的搜索肯定不会就此结束。科学家们已经开始对其他可行的粒子趋之若鹜，尤其是轴子。

如果轴子真的存在，那么它们的质量将比WIMPs小数十亿倍，因此它们必须非常丰富才能达到暗物质的预期质量。

其他可以说更奇特的候选物质包括所谓的 "不育中微子 "和微小的原始黑洞，这是 "大质量紧凑光环天体"（MACHOs）的一个版本。

包括胡珀在内的一些科学家甚至提出了体验隐藏力量的假想粒子。

这些暗粒子如果存在，就会湮灭，然后衰变成其他粒子，这些粒子可能会以某种方式与希格斯玻色子等已知粒子耦合。这很有可能，但目前还没有人明确探测到这些隐藏粒子或力量。

由于对暗物质的探索步履蹒跚，近年来，米尔格罗姆看到越来越多的物理学家对修正引力持开放态度。

人们还没有完全失去幻想，但对暗物质尚未被探测到这一事实感到非常失望。对我来说，这不是研究MOND的最好理由，但我很高兴看到更多的兴趣。

这种兴趣最终是否会转化为对修正引力研究的扩展，还有待观察。

现在，成百上千甚至数以千计的天体物理学家、天文学家和粒子物理学家利用最先进的计算机、望远镜和粒子加速器，研究暗物质的方方面面以及它可能对宇宙造成的各种影响。

几十年来，暗物质研究使修正引力研究相形见绌，但这并不一定意味着暗物质理论更有说服力。

相反，在早期，一些科学家认为暗物质是一种自然的解决方案，另一些科学家则追随他们的观点，于是天平向他们这一边倾斜。

今天暗物质似乎占据主导地位并非不可避免。谁决定研究哪些现象，谁的研究获得了重要的政府资助，谁的大型实验获得了资助。

谁获得了在科学会议上发言的机会，谁精通媒体，谁赢得了著名的奖学金和奖项，谁被提拔到了备受瞩目的教职岗位，这些都需要关注。

不同的选择有时会决定科学未来的发展轨迹。当理论家和实验家的选择同时出现时，新理论，如修正引力要获得公平的听证就会面临挑战。

科学事业并不是通往 "真理 "的一条特别有效或直接的道路。为什么要相信科学？虽然科学家个人容易犯错，有自己的价值观和目标，偶尔也会心怀不满，但科学作为一项集体事务仍在继续。

研究人员可能会在这里或那里出现失误，他们可能需要很长时间才能严格审核一些主张并确立另一些主张，也许一个看似很有前途的研究计划会走入死胡同，但随着时间的推移，科学家们会逐渐达成共识。

这通常需要一段时间，但他们最终会搞清楚哪些研究路径应该留下，哪些观点需要进一步研究和完善。

就暗物质与修正引力而言，这一过程尚未结束。暗物质目前占上风，但争论还没有结束。这场争论事关重大，因为宇宙学的未来取决于天体物理学家接下来的选择。

米尔格罗姆和韦林德等修正引力科学家面临着严峻的挑战，他们才有真正的机会将自己的想法发展成为暗物质的有效替代方案。最大的障碍来自宇宙的起源。

20 世纪 60 年代，天文学家阿诺-彭齐亚斯和罗伯特-威尔逊起初误以为他们的射电望远镜发出的微弱静电是噪音，可能是鸽子在上面栖息并留下粪便所致。

但结果证明信号是真实的，他们也证实了自己的发现，即可以追溯到宇宙大爆炸后不久的遗迹无线电波。

随后在 20 世纪 80 年代和 90 年代，苏联和美国宇航局的科学家利用他们自己的太空望远镜 RELIKT-1 和 COBE 发现了辐射中的微小晃动。

约翰-马瑟和乔治-斯穆特是领导COBE研究的物理学家，他们因测量到这些微小的辐射变化而获得了2006年诺贝尔物理学奖，这些辐射变化转化为早期的密度差异，而密度差异决定了宇宙物质的聚集地和星系结构的形成。

他们预测的暗物质团块要比目前发现的卫星星系数量少得多。

马瑟和斯穆特的后继者们现在已经精确地测量出了遗迹射电辐射中的摆动，任何成功的理论都必须对它们做出解释。

暗物质物理学家已经证明，他们的理论可以很好地再现所有这些摆动，但修正引力或涌现引力至今未能通过这一关键测试。

贝肯斯坦于2015年去世，但他的后继者仍在努力使他的修正引力理论至少与部分测量结果相一致。

对于修正引力的怀疑论者来说，这将是一个巨大的飞跃和令人信服的进步，但这是一项尚未完成的重大任务。

在所有证据中，这些摇摆是最有力的。暗物质显然胜券在握。数以百计的暗物质科学家花费了数十年的时间，并在他们的研究计划中投入巨资，才开发出能够解释所有这些测量结果的模型。

修正引力和涌现引力的资金水平较低，仍然远远落后，但这并不意味着它们应该被放弃。

胡珀说："我的观点是，我们目前认为是暗物质造成的现象不太可能是新兴引力造成的，""但这并不意味着引力不是新兴的，也不意味着它不值得探索。

怀特和胡珀等暗物质研究人员也有自己的问题要解决。巨型星系，包括我们自己的星系，通常都有一些较小的星系伴星，像卫星一样围绕着它们运行。

如果暗物质物理学家的观点是正确的，那么这些星系中的每一个都应该嵌在一个巨大的暗物质团块中，因为暗物质粒子和星系中的恒星应该被相同的引力吸引到一起。

但是，怀特和他的同事们最新开发的计算机模拟结果与天文学家的观测结果有一些明显的不同：他们预测的暗物质团块要比目前发现的卫星星系数量少得多。

物理学家将此称为 "卫星失踪问题"，因为现实似乎与理论家的预期并不相符。

在更大的宇宙尺度上，天体物理学家也在试图解释最近出现的一个令人费解的差异：当今宇宙的膨胀速度似乎比宇宙初生时要快得多。

物理学家曾预计宇宙膨胀的速度（称为哈勃常数）在任何地方都是一样的，但现在他们需要解释这种差异。

由于暗物质理论家们无法解决这个难题，也许涌现引力会提供一条前进的道路。

韦林德、米尔格罗姆和他们的同事仍是少数，但如果他们的队伍壮大起来，宇宙学将受益匪浅。他们已经发现暗物质界有一些科学家愿意接受他们的观点。

在最近参加的一次会议上，韦林德注意到人们的接受程度发生了明显的变化。他说："我感觉与几年前相比，大家有了更多的交流，也更愿意讨论替代方案了。

除了这些理论工作，物理学家们还期待着更大、更好的望远镜和实验结出硕果，包括正在智利北部干旱山区建造的大型综合巡天望远镜。

今年，科学家们将其更名为维拉-鲁宾天文台，明年它将迎来 "第一缕曙光"。受鲁宾工作的启发，研究人员将更广泛、更深入地窥探天体，绘制数十亿星系的光影图。

如果他们保持开放的心态，他们的研究可能会照亮暗物质和暗引力。鲁宾的名字将继续引发人们对我们渴望进一步探索的广袤隐秘宇宙的健康讨论。