宇宙最大尺度引力检验结果出炉 牛顿平方反比定律再次经受住考验

美国宾夕法尼亚大学近日发布一项最新研究显示，研究人员借助阿塔卡马宇宙学望远镜，对相隔数亿光年的星系团开展迄今范围最广的引力测试，结果发现，在宇宙超大尺度上，引力随距离减弱的方式依然符合牛顿提出、后被爱因斯坦广义相对论吸收发展的平方反比规律。这项结果不仅为标准宇宙学模型提供了新的支持，也进一步强化了“暗物质真实存在”的证据链。

研究团队指出，日常生活中的引力现象看似直观，例如苹果落地、行星绕日运行，但在宇宙尺度上，引力始终是检验基础物理理论最关键的对象之一。它决定了星系如何形成、星系团如何运动，也塑造着整个宇宙的大尺度结构。不过，长期以来，天文学家在观测中一直面临一个难题：仅按可见物质的质量计算，许多恒星和星系的运动速度明显过快，似乎无法用现有可见物质所产生的引力来解释。

论文作者之一、宇宙学家帕特里西奥·A·加利亚多表示，这一“宇宙账本中的巨大差额”已困扰天体物理学界多年。无论是恒星在星系内部的绕转，还是星系在星系团中的运动，都显示出部分天体的运行速度远高于可见物质所允许的水平。面对这一矛盾，科学界通常提出两种解释路径：其一，宇宙中存在大量看不见的暗物质，为这些天体提供额外引力；其二，现有引力理论在极大尺度上需要修改。

为检验究竟是哪一种解释更接近事实，研究人员调用了阿塔卡马宇宙学望远镜的数据。该望远镜由宾夕法尼亚大学研究人员主导开发，是一台高约三至四层楼的观测设备，主要用于测量宇宙微波背景辐射，也就是宇宙大爆炸遗留至今的微弱余辉。研究团队重点分析了这种古老光线穿过巨大星系团时所产生的细微变化，从而反推出星系团彼此接近时的运动状态，并进一步测试超大尺度上引力的实际作用强度。

宇宙微波背景辐射诞生于大爆炸后约38万年，充满整个宇宙空间。当这些光线穿过包含炽热气体的星系团区域时，会因星系团的运动而出现极其微弱但可测量的畸变。研究人员正是通过分析这种信号，在跨越数千万乃至数亿光年的范围内，对数十万级别的星系团样本进行了统计研究，以判断引力是否仍按经典理论所预言的方式随距离衰减。

结果显示，观测数据与牛顿理论以及爱因斯坦广义相对论的预测高度一致。如果像“修正牛顿动力学”（MOND）那样的替代理论是正确的，那么引力在超大尺度上的衰减模式应当偏离传统理论预期；然而此次测量并未发现这种偏离。研究人员因此认为，至少在目前所测试的宇宙尺度上，没有证据表明必须通过修改引力定律来解释观测结果。

加利亚多表示，令人惊讶的是，17世纪由牛顿提出的平方反比定律，在进入21世纪后仍然能够在如此宏大的宇宙尺度上站得住脚。牛顿当年讨论这一规律时，关注的主要还是太阳系内部天体运动，而今天，科学家已将这一原理拓展检验到他那个时代难以想象的距离尺度和质量尺度。

研究人员指出，这意味着“缺失质量”问题更难用“引力理论失效”来解释，反而进一步支持宇宙中确实存在一种尚未被直接观测到的物质成分，即暗物质。换言之，如果引力本身并没有在大尺度上表现出异常，那么星系和星系团中额外体现出来的引力效应，就更可能来自不可见的质量来源，而不是物理定律被改写。

不过，研究同时强调，暗物质的真实本质仍是现代物理学最重要的未解难题之一。此次工作增强了“暗物质作为宇宙组成成分之一”的证据，但并不能回答它究竟由什么构成。未来，随着宇宙微波背景辐射观测精度进一步提升，以及更大规模星系巡天项目持续推进，科学家有望对引力定律和暗物质问题作出更精细的检验。

这项研究论文题为《利用运动学苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应在宇宙学尺度上测试引力定律》，已于2026年4月15日发表在《物理评论快报》上。研究由P. A. Gallardo等学者合作完成，项目背后还获得了美国国家科学基金会等机构支持。