暗物質根本不存在？顛覆暗物質的理論獲實證支持

Erik Verlinde 圖片來源：Quanta Magazine

宇宙中存在由暗物質組成的星系嗎？成千上萬名實驗物理學家正執著地尋找這種被稱為「暗物質」的不可見粒子，然而天體物理的新發現正在挑戰舊觀念。與此同時，荷蘭理論物理學家 Erik Verlinde 提出了一種沒有暗物質的引力理論。

撰文 Natalie Wolchover

翻譯 金庄維

審校 張士超

天文觀測暗示星系和其他宇宙結構被某種神秘的不可見力量所吸引。80年來，研究人員為此傷透了腦筋。為了解釋觀測到的現象，他們假設宇宙中存在「暗物質」，並且所佔的比例（~23%）是可見物質（~4%）的五倍多！這或許意味著我們對宇宙知之甚少。

暗物質理論的前提條件是研究人員完全了解宇宙中物質的運動規律。但在2016年11月，一系列進展顛覆了人們的認知，「暗物質不存在論」死灰復燃。這種觀點認為在宇宙的尺度上，牛頓和愛因斯坦預言的引力行為不再適用。通過修正引力理論，我們也不再需要所謂的暗物質。

修正派的代表人物之一是阿姆斯特丹大學的理論物理學家 Erik Verlinde，他以想法大膽、前衛（即便並不完美）而聞名。11月7日，Verlinde 將長達51頁的論文貼到 arXiv 上，宣稱引力是量子相互作用的副產品，原先認為由暗物質造成的引力效應其實源於普通物質和「暗能量」（時空的背景能量）的相互作用。他的最新嘗試再次引起熱議。

愛因斯坦將引力定義為物質引起的時空彎曲效應。而 Verlinde 採用了一種時髦的觀點：引力是種「誘導現象」（也譯作「層展現象」）。時空和其中的物質只是全息圖，它們背後是由量子比特構成的網路。這就好比電腦遊戲由矽片上的經典比特編碼而成。在誘導引力的框架下，Verlinde 認為暗能量源於量子比特的某種性質。在時空全息圖的大尺度上，暗能量和普通物質相互作用，產生了存在「暗物質」的假象。

通過計算，Verlinde 重新得到了「修正牛頓動力學（modified Newtonian dynamics，MOND）」方程。擁有30年歷史的 MOND 在對經典的平方反比律（即牛頓定律及相對論）進行修正後，能夠解釋一些原本被認為由暗物質引起的現象。這個醜陋的「補丁」居然管用！長期以來，物理學家對此感到不可思議。而這回，Verlinde 從更基本的層面解釋了 MOND 成功的原因。

星系軌道之謎

暗物質和引力修正理論能夠解釋牛頓和愛因斯坦的理論都無能為力的星系軌道之謎。

在牛頓和愛因斯坦的理論中，引力遵循平方反比律：兩個有質量物體間的引力與它們之間距離的平方成反比。這就意味著離星系中心越遠的恆星受到的引力越弱，公轉也越慢。在星系內部，情況的確如此，但當兩者的距離達到某個臨界值後，恆星的公轉速度趨於平穩。Vera Rubin 在上世紀七十年代首次發現星系旋轉曲線「平坦化」，這被公認為暗物質存在的鐵證：星系周圍的暗物質「暈」對外圍恆星施加了額外的引力，使公轉速度增加。

星系旋轉曲線問題：根據平方反比律，恆星B比恆星A受到的引力弱，公轉更慢；而實際觀測到情況是當半徑大於某個臨界值時，恆星的公轉速度不再下降。圖片來源：Quanta Magazine

大量實驗致力於尋找暗物質粒子——主要候選者有弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）和稍輕一些的軸子——然而至今一無所獲。

破解星系軌道之謎的兩種理論：暗物質理論認為，巨大的暗物質「暈」對外圍恆星施加額外的引力作用，使星系旋轉曲線變得平坦；引力修正理論認為當半徑大於臨界值時，引力不再遵循平方反比律。圖片來源：Quanta Magazine

然而物理學家並不喜歡這種「魔法」——用暗物質解釋宇宙學觀測結果容易得多。大家因此漸漸拋棄了 MOND。但 Verlinde 的理論試圖揭示「魔法」背後的原因，使得 MOND 東山再起。

新理論的旁證

很多引力專家認為 Verlinde 的論文非常有趣，但不易理解。他的觀點是否站得住腳還有待檢驗。湊巧的是，11月9日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上的一篇論文中，凱斯西儲大學 Stacy McGaugh 帶領的團隊分析了來自153個不同種類的盤狀星系的數據，他們的結果進一步鞏固了 MOND 的地位。

McGaugh 團隊的研究人員比較了每個星盤內不同半徑處向心加速度的計算值（可見物質給出的引力）和觀測值（可見物質實際感受到的引力）【詳見盤狀星系相互關聯的明暗面，挑戰星系模擬體系 | Phys. Rev. Lett 論文推薦】，發現這兩個值密切相關。在 MOND 框架下，他們的結論可以得到完美解釋：即便引力需要修正，可見物質仍是驅動星系旋轉的引力的唯一來源，因此星系的旋轉曲線與可見物質含量之間關係緊密。這時，暗物質的存在便顯得多餘了。

正當暗物質的支持派奮起反擊時，又一個挑戰出現了。由荷蘭天文學家組成的一個研究團隊對 Verlinde 的理論進行了首次檢驗。通過比較理論公式和來自三萬多個星系的數據，萊頓大學的 Margot Brouwer 和她的同事發現，Verlinde 準確地預言了來自星系的引力透鏡效應（原先也以為是由暗物質引起的現象）。他們已經在專業研討會上做了相關報告，相關論文於12月12日發表於《皇家天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal astronomical Society）。這個結果倒是在大家的意料之中，因為提出 MOND 的先驅者，以色列天體物理學家 Mordehai Milgrom 早在幾年前就證明了 MOND 與引力透鏡的觀測數據符合得很好。Verlinde 的新理論還需要在傳統 MOND 失效的情況下對「由暗物質引起」的現象重新進行闡釋。

勞倫斯伯克利國家實驗室的暗物質理論家 Kathryn Zurek 表示，Verlinde 的想法至少證明了引力修正有其成功之處，但存在的挑戰之一，是至今仍然沒有可以解釋這種修正的可靠理論。如果 Verlinde 的工作最終給出了合理的框架，那麼這就足以吸引大家更加認真地看待 MOND。

時空密碼

早在2010年，Verlinde 就有了關於新 MOND 的最初想法。這個想法基於他數月之前發表的另一篇著名論文，其中他大膽宣稱引力並不存在。綜合物理學前沿的很多概念和猜想，他得出結論：引力是一種熱力學誘導效應，與熵增（混亂度的增加）有關。和現在的情況類似的是，當時專家們覺得「熵力」難以理解。不過那篇論文還是引起了許多討論（引用超過500次）。

雖然後來有人證明 Verlinde 論文中的熵力並不正確，但他的直覺非常敏銳。同樣基於誘導效應的靈感，其他理論物理學家發展出了引力和時空的全息描述。現在，Verlinde 將這種方法吸收到了新工作中。

在全息框架下，彎曲時空和其中的一切都是量子信息的幾何表示。換言之，數據存儲在量子比特中。和經典比特不同，量子比特能夠以不同的概率同時處於兩個態（0和1）。此外，量子比特之間能夠相互糾纏。處於糾纏態的兩個量子比特無論空間上離得多遠，我們對其中一個進行測量，就能知道另一個的狀態。如何將量子比特的糾纏模式「翻譯」成與此相關的時空幾何？物理學家已經開始研究其中的數學規則。例如，一列只與最近鄰對象發生糾纏的量子比特代表了平直空間。更複雜的糾纏模式能產生諸如夸克、電子這樣的物質粒子，粒子質量導致時空彎曲，因而產生引力。

物理學家很快就得到了反德西塔（anti-de Sitter，AdS）空間中全息宇宙的數學「翻譯」規則。但在我們生存的宇宙（德西塔時空幾何）中，「翻譯」規則複雜得多。Verlinde 在最新的論文中猜測，恰恰是德西塔時空的幾何性質導致了存在暗物質的錯覺。

當你眺望遠方時，德西塔時空會隨著視線伸展。因此，時空中必須包括少量背景能量（暗能量）來驅使時空相互「分離」。Verlinde 利用熱能來模擬暗能量，這就好像宇宙被加熱到了一個激發態（相反，反德西塔空間是處於基態的系統，因此便於研究）。Verlinde 將這種熱能與量子比特間的長距糾纏聯繫在一起——糾纏對似乎受到震動而被迫分開。由於物質的存在會破壞這種長距糾纏，相當於將暗能量從它所在的時空區域中「驅除」。而當暗能量試圖重新回到這片區域時，便會向物質施加某種彈性響應，這就相當於引力。

由於糾纏具有長程屬性，時空範圍越大，彈性響應越重要。Verlinde 通過計算髮現這會導致星系的旋轉曲線恰好在「魔法」尺度偏離牛頓的平方反比律。

Van Raamsdonk 認為 Verlinde 的想法指出了一個非常重要的方向。但他也表示論文的自洽性還有待檢驗——從量子信息理論、熱力學、凝聚態物理、全息和天體物理中擷取的概念和方法未必相互支持、沒有矛盾。無論如何，這種想法非常有趣，進一步的檢驗也將帶來啟發。

而哈佛大學的 Brian Swingle 認為 Verlinde 的論文中存在一個問題：缺少具體的宇宙模型。這就為未經證明的猜測留有更多餘地。而反德西塔空間雖然和我們的宇宙關係不大，但研究人員可以在其中構造具體模型，走得更遠。我們需要對更接近我們宇宙的德西塔時空進行深入研究，而 Verlinde 的論文有望帶來更多線索。

取代暗物質？

Verlinde 的新工作可能走在時代前沿，也可能完全錯誤。這取決於他的理論能否重新解釋傳統 MOND 無能為力而暗物質理論卻可以輕鬆解決的問題。

其中一個問題和「子彈星團」有關。子彈星團是兩個發生碰撞的星系團。碰撞過程中，可見物質彼此相撞，而引力透鏡暗示大量暗物質（不與可見物質發生相互作用）像「隱形人」那樣穿過碰撞帶。有些物理學家認為這是暗物質存在的確鑿證據。但 Verlinde 表示他的理論能夠很好地解釋子彈星團的行為：暗能量的引力效應嵌入在時空中，與物質相比不易發生變形，這就使得星團碰撞過程中兩者分離。

然而，Verlinde 的理論面對的最大挑戰是解釋宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB）中的「暗物質蹤跡」。CMB 是來自宇宙嬰兒期的古老光線，觀測數據（角功率譜）中存在一系列峰谷，這揭示了當時物質系統反覆由於引力收縮、又因為自相互作用（壓強）膨脹的過程。而暗物質不發生相互作用，它們只收縮不膨脹，這會調節 CMB 峰的幅度。暗物質理論對 CMB 峰的預言與觀測數據相符。而傳統 MOND 遭受的致命打擊之一就是無法解釋 CMB 角功率譜中峰的幅度。Verlinde 希望他的新工作可以奏效——物質與暗能量的引力效應可以彼此分離，產生不同的行為。然而他尚未對此進行全面的計算。

CMB 角功率譜 圖片來源：ESA and the Planck Collaboration

正當 Verlinde 面臨這些挑戰時，暗物質的支持派也開始行動。在十月份，兩個研究團隊獨立地解釋了 McGaugh 團隊的新發現：星系旋轉速度和可見物質含量之間存在普適的關聯。

他們認為星系形成時，星系暈中暗物質的含量能夠精確地決定可見物質的含量（二者並非獨立）。因此，即便星系的旋轉速度由明暗物質共同決定，它仍會與其中任一種物質的含量產生確切的關聯。然而，對星系形成過程進行的計算機模擬尚未顯示出明暗物質含量間的相關性。研究人員正在改進模擬程序。來自匹茲堡大學的 Arthur Kosowsky 表示現在還無法判斷計算機模擬能否與 McGaugh 團隊的所有數據吻合。如果不能，標準暗物質理論將陷入巨大的麻煩。並且，修正派認為即使數據能夠吻合，也只是個難以置信的巧合。

由於擁有大量間接證據，學術界幾乎達成共識：暗物質可能真的存在。但 Zurek表示，即使暗物質理論可以解釋一切，研究人員仍應重視不同的聲音。