北京
你可能还记得牛顿被苹果砸中脑袋的故事，但你可能想不到，这位17世纪科学家提出的引力定律，刚刚在宇宙尺度上经历了一次前所未有的“大考”——而且，它稳稳地通过了。
来自宾夕法尼亚大学的研究团队，利用阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的观测数据，对相隔数亿光年的星系团之间的引力行为进行了检验。这是迄今为止人类对引力进行的最大规模测试。
引力定律的“宇宙级体检”
先说说这次测试到底有多“大”。我们平时感受到的地球引力，只是引力作用的极小尺度。在宇宙中，引力是塑造星系、星系团乃至宇宙最大尺度结构的无形框架。但问题在于，天文学家们几十年来一直面临一个令人困惑的观测事实：有些恒星和星系的运动速度，远远超过了它们可见质量所能解释的范围。
这个谜团让宇宙学家们面临两种截然不同的可能性：要么宇宙中存在着大量看不见的“暗物质”，其引力提供了额外的拉力；要么，牛顿和爱因斯坦建立的引力定律，在宇宙尺度上需要被修正。
宾夕法尼亚大学的研究员帕特里西奥·A·加拉多（Patricio A. Gallardo）直言：“天体物理学一直受到宇宙账本上巨大差异的困扰。当我们观察恒星在星系内的运行方式，或星系在星系团内的运动方式时，有些天体看起来移动得太快了，远超其可见物质含量所能解释的速度。”
跨越数亿光年的检验
为了验证引力定律在宇宙尺度上是否依然成立，加拉多和他的合作者们进行了一次非同寻常的实验。他们使用的阿塔卡马宇宙学望远镜，是一座大约有三到四层楼高的望远镜，主要由宾夕法尼亚大学马克·德夫林（Mark Devlin）领导的研究团队开发。
研究团队重点考察了相隔数亿光年的星系团之间的引力行为。这意味着，这次检验的尺度，比以往任何一次引力测试都要宏大。
研究结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。数据显示，引力的强度随距离的衰减方式，几乎与牛顿方程预测的完全一致——这一方程后来也被爱因斯坦的广义相对论所吸收。
“平方反比定律”依然坚挺
“值得注意的是，17世纪牛顿提出、后来被爱因斯坦广义相对论纳入的平方反比定律，在21世纪依然站得住脚。”加拉多表示。
简单说，平方反比定律就是：两个物体之间的引力，与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。也就是说，距离翻倍，引力就减弱到原来的四分之一。这个看似简单的数学关系，从苹果落地到行星运行都适用，现在看起来，在跨越数亿光年的宇宙尺度上，它依然精准地描述着引力的行为。
这一发现支持了现代宇宙学的基础之一。根据加拉多的说法，证明既有的引力理论在巨大距离上依然有效，强化了标准宇宙学模型的地位——也就是说，宇宙中确实存在我们看不见的暗物质，而不是引力定律本身需要被修改。
暗物质：又一次“加分”
这次测试结果，对暗物质假说来说是一次重要的“加分”。如果引力定律在宇宙尺度上出现偏差，那么“修改引力理论”的替代方案就会获得更多支持。但现实是，牛顿和爱因斯坦的定律经受住了考验，这反过来让“宇宙中存在大量看不见的物质”这一解释显得更加可信。
当然，这并不意味着暗物质的谜团已经彻底解开。我们仍然不知道暗物质由什么粒子构成，也不知道它具体如何分布。但至少，这次史上最大规模的引力测试告诉我们：在解释宇宙“缺失质量”的问题上，暗物质依然是目前最站得住脚的答案。
至于牛顿的引力定律，它已经在宇宙尺度上证明了自己——300多年前的洞察，至今依然精准地描述着宇宙的运行方式。这本身，就是一件值得感叹的事。
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