物理学家赞成一种新的引力理论 认为暗物质可能不存在

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物理学家赞成一种新的引力理论 认为暗物质可能不存在

2022 年 07 月 11 日 09:00 稿源：cnBeta.COM

使用牛顿的物理定律，科学家们们可以相当准确地模拟太阳系中行星的运动。然而，在 20 世纪 70 年代初，科学家们发现这对圆盘星系不起作用--处于其外部边缘的恒星，远离其中心所有物质的引力——其运动速度比牛顿理论所预测的快得多。



因此，物理学家们提出，一种被称为 “暗物质 ”的无形物质提供了额外的引力，导致恒星加速--这一理论已被广泛接受。然而，在最近的一篇评论中，圣安德鲁斯大学天体物理学博士后研究员 Indranil Banik 及其同事们提出，在广泛的尺度上的观察结果在另一种引力理论中得到了更好的解释，这种理论称为 Milgromian dynamics 或 Mond --不需要看不见的物质。它是由以色列物理学家 Mordehai Milgrom 在 1982 年首次提出的。

Mond 的主要假设是，当引力变得非常弱时，就像在星系的边缘那样，它开始表现得与牛顿物理学不同。这样一来，就有可能解释为什么 150 多个星系外围的恒星、行星和气体的旋转速度比仅仅基于其可见质量的预期快。然而，Mond 不仅仅解释了这种旋转曲线，在许多情况下，它还预测了它们。

科学哲学家们认为，这种预测能力使 Mond 优于标准宇宙学模型，后者提出宇宙中的暗物质多于可见物质。这是因为，根据这个模型，星系有一个高度不确定的暗物质数量，这取决于星系如何形成的细节--物理学家们并不总是知道这些。这使得科学家们可能预测星系应该旋转多快。但是这样的预测通常是用 Mond 来做的，而且到目前为止，这些预测已经得到了证实。

想象一下，物理学家们知道一个星系中可见质量的分布，但还不知道其旋转速度。在标准的宇宙学模型中，物理学家们只能有把握地说，旋转速度将在外围的 100km/s 和 300km/s 之间出来。Mond 做出了一个更明确的预测，即旋转速度必须在 180-190km/s 之间。

如果后来的观测发现旋转速度为 188km/s ，那么这与两种理论都是一致的——但显然，Mond 更受欢迎。这是“奥卡姆剃刀定律”（Occam's Razor）的一个现代版本——最简单的解决方案比更复杂的解决方案更可取，在这种情况下，物理学家们应该用尽可能少的“自由参数”来解释观测。自由参数是常数--物理学家们必须将某些数字插入方程以使其发挥作用。但它们不是由理论本身给出的--没有理由它们应该有任何特定的值--所以物理学家们必须通过观察来测量它们。一个例子是牛顿引力理论中的引力常数 G ，或者标准宇宙学模型中星系中的暗物质数量。

在 Banik 及其同事引入了一个被称为“理论灵活性 ”的概念，以捕捉“奥卡姆剃刀定律”的基本思想，即一个具有更多自由参数的理论与更广泛的数据一致--使其更加复杂。在Banik及其同事的评论中，他们在测试标准宇宙学模型和 Mond 与各种天文观测数据（如星系的旋转和星系团内的运动）时使用了这个概念。

每一次，他们都给“理论灵活性 ”打分，分值在 -2 和 +2 之间。-2 分表示一个模型在不偷看数据的情况下做出了明确、精确的预测。相反，+2 意味着“什么都可以”——理论家们将能够适应几乎任何合理的观测结果（因为有这么多自由参数）。他们还对每个模型与观测结果的吻合程度进行了评分，+2 表示非常吻合，-2 则保留给那些明显表明理论是错误的观测结果。然后他们从与观测结果的吻合度中减去理论灵活性的分数，因为与数据的吻合度很好——但能够适应任何东西就不好了。

一个好的理论会做出后来被证实的明确预测，最好在许多不同的测试中得到 +4 的综合分数 (+2 - (-2) = +4) 。一个坏的理论会得到 0 到 4 的分数 (-2 - (+2) = -4) 。精确的预测在这种情况下会失败——这些在错误的物理学中不太可能起作用。

研究人员发现标准宇宙学模型在 32 次测试中的平均得分是 -0.25 分，而 Mond 在 29 次测试中取得的平均得分是 +1.69 分。每个理论在许多不同测试中的得分分别显示在下面的两张图中，是标准宇宙学模型和 Mond 的得分。




暗物质的问题

标准宇宙学模型最引人注目的失败之一与 “星系棒”有关--由恒星组成的棒状明亮区域--螺旋星系在其中心区域经常有这种情况。这些星系棒会随着时间的推移而旋转。如果星系被嵌入大规模的暗物质光环中，它们的星系条就会慢下来。然而，大多数，如果不是全部，观察到的星系条形图都是快速的。这就以非常高的置信度否定了标准宇宙学模型。

另一个问题是，最初提出星系有暗物质光环的模型犯了一个大错——他们假设暗物质粒子为它周围的物质提供引力，但不受正常物质引力的影响。这简化了计算，但它并没有反映现实。当在随后的模拟中考虑到这一点时，很明显，星系周围的暗物质光环并不能可靠地解释它们的特性。

研究人员在评论中调查了标准宇宙学模型的许多其他失败之处，Mond 往往能够自然地解释观测结果。标准宇宙学模型之所以如此受欢迎，可能是由于计算上的错误或对其失败的认识有限，其中一些是最近才发现的。这也可能是由于人们不愿意调整一个在许多其他物理学领域都非常成功的引力理论。

在 Banik 及其同事的研究中，Mond 对标准宇宙学模型的巨大领先优势使他们得出结论：Mond 受到现有观测结果的强烈青睐。虽然他们并不声称 Mond 是完美的，但仍然认为它得到了正确的大画面——星系确实缺乏暗物质。