现在是认真对待暗物质替代品的时候了

1969年，美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)对银河系最大的邻居--庞大的仙女座星系的观测结果感到困惑。当她和同事在亚利桑那州的基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory)和洛厄尔天文台(Lowell Observatory)仔细测量光谱时，她发现了一些奇怪的事情：银河系郊区的恒星似乎运行得太快了。速度如此之快，以至于她预计它们会逃离仙女座菌株，飞向更远的天堂。然而，旋转的星星仍在原地不动。

鲁宾的研究扩展到了其他几十个螺旋星系，导致了一个戏剧性的两难境地：要么那里有更多的物质，黑暗和隐藏在视线之外，但却利用引力将这些星系聚集在一起，或者引力在星系的巨大规模上的工作方式与科学家之前认为的截然不同。

她有影响力的发现从未为鲁宾赢得诺贝尔奖，但科学家们开始到处寻找暗物质的迹象，在恒星和气体云周围，以及宇宙中星系中最大的结构中。到了20世纪70年代，剑桥大学的天体物理学家西蒙·怀特(Simon White)辩称，他可以用一个模型来解释星系的聚集，在这个模型中，宇宙的大部分物质是黑暗的，远远超过天空中所有恒星中的所有原子。在接下来的十年里，怀特和其他人在这项研究的基础上，在当时不太友好的计算机上模拟了假设的暗物质粒子的动力学。

但是，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任何一个暗物质粒子。一次又一次，暗物质拒绝被锁定，就像树林中短暂的影子。每次物理学家在废弃的矿井和南极洲用强大而灵敏的实验搜索暗物质粒子，每当他们试图在粒子加速器中产生暗物质粒子时，他们都空手而归。有一段时间，物理学家们希望找到一种被称为弱相互作用大质量粒子(WIMP)的理论类型的物质，但对它们的搜索一再一无所获。

随着WIMP候选资格的几乎死亡，暗物质显然是物理学家从未发现的最普遍的东西。只要它没有被发现，仍然有可能根本不存在暗物质。另一种选择是：引力的某些神秘方面可能会扭曲宇宙，而不是大量的隐藏物质。

自20世纪70年代鲁宾和怀特的鼎盛时期以来，重力在大范围内表现不同的概念已经被边缘化。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该允许物理学家讨论这些理论并设计新的实验。不管最终证明谁是对的，这种对替代方案的研究最终有助于明确我们所不知道的和我们所做的之间的界限。它将鼓励具有挑战性的问题，刺激重现性研究，在理论的弱点上戳洞，并启发对前进道路的新思考。它将迫使我们决定我们需要什么样的证据才能相信我们看不见的东西。

我们以前来过这里。20世纪80年代初，以色列物理学家莫德海·“莫蒂”·米尔格罗姆对日益流行的暗物质叙述提出了质疑。当他在特拉维夫南部的一家研究所工作时，他研究了鲁宾和其他人的测量结果，并提出物理学家并没有丢失物质；相反，他们错误地假设他们完全理解了引力是如何工作的。由于外层恒星和气体云围绕星系旋转的速度比预期快得多，所以尝试修正标准的引力观点比召唤出一种全新的物质更有意义。

米尔格罗姆提出，艾萨克·牛顿第二运动定律(描述作用在物体上的引力如何随其加速度和质量变化)的变化非常微小，这取决于物体的加速度。像海王星或天王星这样围绕我们的太阳运行的行星，或者靠近我们银河系中心的恒星，都没有感觉到不同之处。但在银河系遥远的边远地区，恒星会从星系中的大部分物质中感受到比之前认为的更小的引力；调整牛顿定律可以为鲁宾测量的速度提供解释，而不需要引用暗物质。

发展无暗物质宇宙的范例成为米尔格罗姆的人生计划。起初，他主要是孤立地研究他的原型理论，他称之为修正的牛顿动力学(MOND)。他说，在几年多的时间里，我是唯一的一个。但其他科学家慢慢地绕了一圈。

他和其他几个人首先专注于旋转星系，在那里，MOND至少像暗物质理论一样准确地描述了鲁宾观察到的东西。米尔格罗姆和他的同事随后扩大了他们的研究范围，预测了银河系外部旋转的速度与银河系总质量(减去任何暗物质)之间的关系。天文学家R·布伦特·塔利(R Brent Tully)和J·理查德·费舍尔(J Richard Fisher)测量并证实了这一趋势，许多暗物质模型都难以解释这一趋势。

尽管取得了这些成功，米尔格罗姆对牛顿第二定律的修改仍然只是一个近似值，导致他的想法达不到全面理论的要求。当米尔格罗姆在耶路撒冷希伯来大学的同事雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)扩展了MOND，以表明它可能与阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论一致时，这种情况开始改变。广义相对论预测，引力具有弯曲光线的能力，这一观点在一个多世纪前的1919年日食期间得到了证实，今天被称为“引力透镜”。

大约在同一时间，美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)注意到，他的同事们曾认为，近距离的气云群实际上是更远的星系。在哈勃发现的基础上，其他天文学家证明了现在被称为星系团的更大宇宙结构的存在，这种结构具有像强力透镜一样的作用，强烈地弯曲光线。使用基于爱因斯坦预测的公式，就有可能推断出宇宙透镜的质量。基于这个数学，许多物理学家使用引力透镜作为暗物质存在的论据。但贝肯斯坦表明，广义相对论和MOND也可以解释至少一些已经进行的透镜测量。

即便如此，这些想法也只形成了一部分。事实上，米尔格罗姆和贝肯斯坦仍然不知道物理学中的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·弗林德(Erik Verlinde)开始发展一种名为“浮现重力”的理论来解释为什么重力会改变，蒙德才有了充分的基础。在弗林德看来，包括MOND在内的引力是作为一种热力学效应出现的，与熵增加或无序有关。他的想法也建立在量子物理的基础上，将时空和其中的物质视为起源于相互关联的量子比特阵列。当时空弯曲时，它会产生引力，如果它以特定的方式弯曲，就会产生暗物质的错觉。

弗林德的研究仍在等待充实。例如，从大爆炸遗留下来的残余辐射中辨别出年轻宇宙的结构，目前还不清楚修改或浮现的引力如何才能解释这个年轻宇宙的结构。天体物理学家已经使用太空望远镜绘制了令人难以置信的详细辐射图，但他们还没有找到一种方法来制作没有暗物质与测量结果一致的模型。弗林德说，浮现引力的想法目前还不能与之匹敌，但随着时间的推移，它可能会成为暗物质的一种真正的替代品。

暗物质理论也做出了预测：如果这种物质存在，无数的亚原子暗物质粒子应该会频繁地在我们的太阳系、地球上疾驰，甚至偶尔会在我们的身体上疾驰。但是，如果大量的暗物质确实存在，笼罩着宇宙中的每个星系，而且无处不在，看不见，感觉不到，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相互作用。这使得实际检测它们成为一项艰巨的任务。

当天体物理学家的眼睛一直盯着天空时，粒子物理学家试图通过在他们的加速器中创造看似合理的粒子来揭示暗物质，比如瑞士日内瓦的强大的大型强子对撞机(Lhc)。大型强子对撞机旨在重现大爆炸时的情况，它以极快的速度将粒子粉碎在一起，这样，在爆发的能量中，它就会产生新的粒子。这些粒子通过一系列探测器，使物理学家能够识别它们。

例如，在芝加哥以西的费米实验室，有了大型强子对撞机及其前身，科学家们设法找到了粒子物理标准模型预测的全部17个粒子，该模型包括了除重力之外的所有基本力。(他们在2012年用大型强子对撞机发现了最后一个标准粒子，希格斯玻色子。)。费米实验室物理学家丹·胡珀(Dan Hooper)在他的“时间边缘”(2019年)一书中写道，由于这一系列的成功，物理学家们也对很快发现暗物质粒子持乐观态度。

对暗物质的兴趣催生了新一代实验，胡珀和他的同事们希望这些实验能最终锁定这些神秘的粒子。世界各地的科学家在地球深处建造了探测器，通常会改变旧矿的用途，目的是在发现暗物质粒子的同时，避开宇宙射线和太阳粒子的刺耳噪音，因为宇宙射线和太阳粒子会轰炸地面上的任何探测器。研究人员假设，暗物质粒子可以悄悄地飞过氙气或其他材料制成的探测器，并以热的形式留下它们传递的迹象。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的新纪元。

但这些实验没有发现任何积极的迹象，研究人员最初的希望已经破灭。事实上，无法找到暗物质迹象的实验最终只给出了暗物质不是什么的证据。随着每一次新的实验，非暗物质的范围都在扩大。物理学家已经开始认识到，如果暗物质粒子存在，要捕捉到它们将是极其困难的。

特别是，对于曾经是最受欢迎的暗物质候选者的WIMP来说，情况看起来很黯淡。研究人员不断扩大他们的搜索范围，寻找质量越来越低的粒子，然后再寻找更小的粒子，但仍然一无所获。一些团队继续使用越来越灵敏的探测器寻找WIMP，但几年后，它们将达到最微小的质量范围，届时任何假定的暗物质粒子都将与探测器相互作用，就像来自太阳的纤细中微子一样，有效地使WIMP搜索戛然而止。“那我们就完事了。你可以看到WIMP的末日近在眼前。加州斯坦福大学(Stanford University)的理论物理学家彼得·格雷厄姆(Peter Graham)说，这可能会让人们尝试想出新的东西。

但格雷厄姆认为，如果WIMP的末日即将到来，那么暗物质搜索的故事肯定还没有结束。科学家们已经开始成群结队地研究其他可存活的粒子，特别是轴子。如果它们存在，轴子的质量将比WIMP小数十亿倍，因此它们必须非常丰富，才能达到预期的暗物质质量。其他可以说是更奇特的候选者包括所谓的“稀有中微子”和微小的原始黑洞，这是MACHO的一个版本(指的是“巨大的致密晕物体”)。

包括胡珀在内的一些科学家甚至提出了体验隐藏力的假想粒子。如果这些暗粒子存在，它们会湮灭，然后衰变成其他粒子，这些粒子可能会以某种方式与已知的粒子(如希格斯玻色子)相耦合。这似乎是可能的，但目前还没有人清楚地探测到任何这些隐藏的粒子或力量。

随着对暗粒子的搜索步履蹒跚，米尔格罗姆近年来看到更多的物理学家对修改引力持开放态度。他说，人们并没有完全幻想破灭，但人们对没有探测到暗物质感到非常失望。“对我来说，这不是做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扩大对修正重力的研究，还有待观察。

成百上千的天体物理学家、天文学家和粒子物理学家现在用最先进的计算机、望远镜和粒子加速器研究暗物质的各个方面，以及它可能在宇宙中留下的每一个印记。几十年来，暗物质研究让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，早些时候，一些科学家认为这是一种自然的解决方案，另一些科学家则跟随他们的观点，天平向他们这边倾斜。

今天暗物质看似占主导地位并不是不可避免的。科学家发展理论的过程受到各种历史和社会学因素的严重影响，埃克塞特大学(University Of Exeter)荣休科学哲学家安德鲁·皮克林(Andrew Pickering)雄辩地提出了这一点，并著有“构造夸克”(1984)一书，这本已有36年历史的书至今仍有意义。

重要的是要关注谁决定研究哪些现象，哪些研究获得了政府的重大拨款，哪些大型实验得到资助，谁获得了在科学会议上发言的机会，谁精通媒体，谁获得了杰出的奖学金和奖项，以及谁被提升到高调的教职员工职位。不同的选择有时可以塑造科学的未来轨迹。皮克林认为，当理论家和实验家的选择共生一致时，一个新兴的理论-比如修改后的重力-可能会面临挑战，才能得到公平的倾听。

科学事业并不是一条通向“真相”的特别有效或直截了当的道路。然而，马萨诸塞州哈佛大学的科学史学家内奥米·奥雷斯克斯(Naomi Oreskes)认为，我们不必绝望。内奥米·奥雷斯克斯是“为什么信任科学？”(2019年)一书的作者。尽管个别科学家容易犯错，他们有自己的价值观和目标，偶尔还会各自为政，但作为一个集体，科学仍在继续。研究人员可能会在这里和那里犯错误，他们可能需要很长时间来严格审查一些说法并确立另一些说法，也许一个看似有希望的研究计划走进了死胡同，但随着时间的推移，科学家们逐渐建立了共识。这通常需要一段时间，但他们最终弄清楚了哪些研究路径应该被抛在后面，哪些想法需要进一步研究和提炼。

对于暗物质和修正的重力，这个过程还没有结束。暗物质目前方兴未艾，但争论还没有结束。赌注很大，因为宇宙学的未来取决于天体物理学家下一步的选择。

像Milgrom和Verlinde这样的修正引力科学家在真正有机会将他们的想法发展成暗物质的有效替代品之前，面临着令人望而生畏的挑战。最大的障碍来自于宇宙的起源。

天文学家阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)在20世纪60年代一开始将他们的射电望远镜微弱的静电误解为噪音-可能是因为鸽子在上面栖息并留下粪便。但这个信号被证明是真实的，他们证实了他们发现的可以追溯到大爆炸后不久的残余无线电波。然后在20世纪80年代和90年代，苏联和美国国家航空航天局(NASA)的科学家使用他们自己的太空望远镜Relikt-1和COBE，发现了辐射中的微小摆动。领导COBE研究的物理学家约翰·马瑟(John Mather)和乔治·斯穆特(George Smoot)因测量这些微小的辐射变化而获得2006年诺贝尔物理学奖，这些微小的辐射变化转化为早期的密度差异，决定了宇宙中物质聚集的位置和星系的结构。

马瑟和斯穆特的继任者现在已经精确地测量了遗迹无线电辐射中的摆动，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，但到目前为止，修改或浮现的重力没有通过这一关键测试。贝肯斯坦于2015年去世，但他的继任者仍在努力使他修改后的引力理论至少与部分测量结果一致。这将是一个巨大的飞跃，对于那些对改变重力持怀疑态度的人来说，这是一个令人信服的飞跃，但这是一项尚未完成的重大任务。

在所有证据中，这些摆动是最有力的。暗物质显然是胜利者。数百名暗物质科学家花了几十年的时间工作，并在他们的研究项目上投入了巨额资金，才开发出能够解释所有这些测量结果的模型。资金水平较低的改良重力和紧急重力仍然远远落后，但这并不意味着它们应该被放弃。胡珀说：“我的论点是，浮现引力不太可能导致我们目前归因于暗物质的现象，但这并不意味着重力不浮现，也不意味着它不值得探索。”

此外，像怀特和胡珀这样的暗物质研究人员也有自己的问题要解决。巨大的星系，包括我们自己的星系，通常有几个较小的银河系伙伴像卫星一样围绕它们运行。如果暗物质物理学家是正确的，那么这些星系中的每一个都应该嵌入到一个巨大的暗物质簇中，因为暗物质粒子和星系的恒星应该被相同的引力吸引在一起。但是，怀特和他的同事们开发的最新计算机模拟与天文学家的观测有一些明显的不同：他们预测的暗物质团比迄今发现的数量极少的卫星星系所显示的要多得多。物理学家很有说服力地称其为“卫星失踪问题”，因为现实似乎与这些理论家的预期不符。

在更大的宇宙尺度上，天体物理学家也试图解释最近一个令人费解的差异：今天的宇宙似乎比其幼年时膨胀得更快。物理学家曾预计每个地方的膨胀率(称为哈勃常数)都是一样的，但现在他们需要解释这种差异。由于暗物质理论家无法解决这个难题，弗林德说，浮现的引力可能会提供一条前进的道路。

Verlinde、Milgrom和他们的同事仍然是一小部分人，但如果他们的队伍壮大，宇宙学将会受益。他们已经在暗物质领域找到一些科学家来接受他们的想法。在他最近参加的一次会议上，弗林德注意到人们对他的接受程度发生了明显的转变。他说，我觉得与几年前相比，现在交流更多了，讨论替代方案的意愿也更强了。

除了这项理论工作，物理学家们预计更大、更好的望远镜和实验将会取得成果，包括正在智利北部干燥山区建造的大型天气观测望远镜。今年，科学家将其重新命名为维拉·C·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、更深入地窥视天空，绘制数十亿个星系的光线图。如果他们保持o的话。

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