牛顿引力，通过了有史以来最大尺度的考验

1687年，牛顿（Issac Newton）在《自然哲学的数学原理》一书中指出，两个有质量物体之间的引力，与它们之间距离的平方成反比。长期以来，这一著名的平方反比定律已经在实验室实验和太阳系内部得到验证。

现在，在一项于近期发表在《物理评论快报》的研究中，研究人员利用阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的观测数据，将这一定律的验证范围扩展到了可能达到的最大尺度：彼此相隔数亿光年的星系团。

位于智利的ACT测量的是大爆炸的余辉——宇宙微波背景，并且尤其擅长识别星系团。（图/Debra Kellner）

宇宙中的速度之谜

宇宙中有超过2000亿个星系，而它们的运动方式并不符合仅凭可见物质的引力所作出的预测。

根据牛顿的平方反比定律，距离星系中心越远的恒星，绕行速度应该越慢。但天文学家观察到的情况却并非如此：星系最外侧区域的运动速度，远远快过可见物质所能解释的范围。同样的现象也出现在星系团中——整个星系的运动速度相对于其质量而言也过快。

引力与距离的平方成反比，这就意味着那些距离星系中心更远的天体所感受到的引力，比靠近星系中心的更弱，所以它们的绕行速度也会更慢。然而，真实的观测却告诉我们，天体的速度在超过特定的距离后就会开始趋于平稳，而不是像预期那样下降。（图/原理）

为了解释这些匪夷所思的观测结果，天文学家提出，宇宙中存在大量不可见的、提供了额外引力的暗物质。然而，关于暗物质的本质，至今仍无从知晓。天文学家尚未探测到任何暗物质存在的迹象，这也为其他的可能性留下了机会。

一些理论学家提出了“修改的牛顿动力学”（MOND理论）等理论，试图通过修改引力物理学来消除暗物质。该理论假设在星系尺度上，引力与标准的牛顿引力不同。

如此一来，核心谜题就变成了：要么宇宙中存在我们无法直接看见的暗物质，要么引力在非常大的尺度上需要修正。

在星系团之间检验引力

星系团是宇宙中最大的结构。每一个星系团都可能包含数百个星系，它们通过彼此之间的引力结合在一起。一个星系团的质量可以达到太阳的千万亿倍，尺度可横跨数千万光年。

在新的研究中，研究人员结合了数十万个星系团的位置及其运动速度的独立统计测量结果，从而探测它们之间的引力。正如距离太阳更近的行星运动得更快一样，两个彼此更接近的星系团，相对于彼此的运动速度也会更快。因此，任意两个星系团之间的相对速度如何随它们之间的距离变化，可被用于探测引力的性质。

然而，事情却并没有这么简单。因为两个星系团之间的相对速度，不仅取决于它们自身产生的引力，还取决于周围所有星系团的引力影响。为了解决这一问题，研究人员从斯隆数字化巡天（SDSS）中提取了星系空间分布的测量结果。他们将一个带有可调参数的广义力学定律应用于这一空间分布，以预测星系团对之间的相对速度会如何随距离变化。

随后，研究人员将这一预测与ACT获取的速度数据进行比较。ACT测量的是一种古老的光，这种光在大爆炸后约38万年被释放出来，并从那时起一直在宇宙中传播，形成所谓的宇宙微波背景（CMB）。

当来自CMB的光子穿过大质量星系团时，它们会与其中的电子发生相互作用。根据这个星系团是在朝向地球运动，还是在远离地球运动，这些光子的能量会出现轻微增加或减少——这种效应被称为运动学SZ效应。

研究人员利用运动学SZ效应来测量成对星系团彼此靠近的速度，并检验引力是否会像标准物理学所预测的那样随距离减弱。（图/Lucy Reading/Simons Foundation）

研究人员将重点放在距离地球56亿至77亿光年的星系团上。最终，他们确定了在8000万至8亿光年的距离范围内，引力强度与距离的2.1次方成反比，误差范围为正负0.3。

也就是说，观测结果与牛顿平方反比定律相一致。

暗物质之谜

这项研究证实，在浩瀚的星系外距离上，引力的表现与既有理论的预测一致，这进一步巩固了现代科学的一项基本支柱——标准宇宙学模型。这些数据表明，引力的基本理论并不会在最大尺度上失效，因此实际上堵上了一类理论的出路，例如MOND理论。这样的结果意味着，弄清暗物质究竟是什么，仍然是现代物理学面临的最大挑战之一。

#参考来源：

https://penntoday.upenn.edu/news/gravity-follows-newton-and-einsteins-rules-even-cosmic-scales

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rk8v-rcm3

https://www.science.org/content/article/newton-s-law-gravity-passes-its-biggest-test-ever

#图片来源：

封面图&首图：NASA; ESA; J. Lotz and the HFF Team/STSci