或許暗物質並不存在？
后髮星系團，第一個被觀測並支持暗物質模型的星團。（? Adam Block）
在宇宙中，有84%的物質被認為是暗物質，這可以由其產生的引力大小測算出來。暗物質跟我們日常所知道的物質非常的不同。在太陽系中，太陽是質量最大的天體，它是由普通物質（比如質子，中子和電子）構成的；除了太陽，我們知道還有其它的一些物質來源，包括行星、氣體、塵埃、等離子體和恆星殘留物。暗物質不可能是任何這些東西，它也不可能是由標準模型中的粒子構成的。
但是，暗物質並不是唯一一個解釋在宇宙中觀測到的引力現象。另一個想法是修正引力理論本身，並且有很多人已經在嘗試構建這樣的理論。比如「修正牛頓引力理論」（MOND），這是眾多替代暗物質最流行的理論。
為了更好的解釋這其中的來龍去脈，讓我們回到19世紀，來解決一個長久懸而未決的問題：消失的質量。這也是暗物質和MOND試圖解決的：天王星和水星的問題。牛頓在17世紀提出的引力定律，非常成功的解釋了我們遇到的所有問題。從拋體運動到滾動的物體，從物體的重量到滴答走動的擺鐘；從浮力到月亮繞著地球的轉動，牛頓引力都很好的發揮著自己強大的預言能力。
事實上，開普勒的三大定律是牛頓引力方程的一個特殊情況。對於所有的行星我們知道：
每個行星都沿著各自的橢圓軌道環繞太陽，而太陽處在橢圓的一個焦點中。
在同等時間間隔內，行星繞著太陽公轉所掃過的面積相等。
行星繞著太陽公轉的周期平方和它們的橢圓軌道的半長軸立方成正比。
（? Armagh Observatory）
我們所知道的世界完美的符合著這三大定律，百年來我們都沒有看到任何與理論偏差的地方。直到1781年天王星的發現，事情開始有所改變。這顆剛發現的行星沿著橢圓軌道環繞著太陽，但是根據引力定律，它以與理論預言所不同的速度在繞行著。
在被發現的頭20年內，相比引力定律的計算，它的繞行速度更加的快。然而，在接下來的20-25年，它的運動速度又跟定律給出的一樣。但是再接下來，它又以更慢的速度運行著。
藍色軌道為冥王星，綠色為天王星，木星和土星分別為青色和橘色。（? Michael Richmond）
難道牛頓引力定律錯了？或許。但是更簡單的答案是，如果我們假設在天王星附近存在著更多的物質，一些我們無法看到的，比如暗物質，這多餘的引力在影響著天王星，導致了它的軌道異常。事情的確往預想的方向發生，但這額外的質量並非暗物質。勒維耶和亞當斯分別獨立地預言了在天王星外應該存在著另一顆行星。1846年9月23日，伽勒宣布發現了冥王星，勒維耶的預言被證實了。
而另一方面，離太陽最近的行星——水星，不斷增加的觀測數據顯示出了水星的軌道以一種更加奇怪的方式違反著引力定律。開普勒定律預言，在沒有其它質量的干擾或影響下，行星應該以完美的橢圓軌道環繞著處於焦點中的太陽。但是，隨著時間的流逝，水星的橢圓軌道會偏移。在下圖中可以清楚的看到水星進動的現象，水星的軌道並非閉合的。
紅色代表牛頓引力的預測橢圓軌道（閉合），藍色為愛因斯坦預測的水星橢圓軌道。（? Wikimedia Commons）
利用牛頓的引力定律，並且考慮所有能夠影響水星其它因素，包括所有已知行星以及地球的歲差。我們仍發現預言和觀測存在著偏差，也就是每世紀43秒的偏差。這次我們又該如何解釋？冥王星的發現讓天文學家開始設想，是否在水星和太陽之間有額外的行星存在？又或者這次的確是牛頓引力自身的問題？天文學家努力的尋找著一顆離太陽更近的一個全新的理論行星——祝融星。直到1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，完美的解決了水星進動問題，祝融星的存在也被排除。
廣義相對論被驗證的新聞。
現在，我們把時間推進到1970年代，美國天文學家薇拉?魯賓對星系自轉速度測量的一系列重大發現。薇拉?魯賓觀測的是單獨的星系，特別是側向面對我們的星系，並且測量它們的速度。由於星系旋轉，我們會發現星系的一端會向我們移動（藍移），而另一端則遠離我們（紅移）。根據引力理論，我們期待看到的是，就像太陽系中的情況一樣，星系的旋轉速率應該在離核心一段距離後隨著距離的增加而減少。
星系自轉曲線圖。（? Stefania deluca）
然而，薇拉?魯賓的研究工作發現了實際觀測的星系旋轉速度與原先理論的預測有所出入，單獨星系的自轉曲線遠在可見物質之外的距離上依然保持平坦（有著相同的速度）。那麼，這次又是為什麼呢？同樣，我們有面臨著兩個選擇：要麼現有的引力理論需要修正，要麼我們必須假設有更多的看不見的質量的存在。
「修正牛頓引力理論」（MOND）於1981年被Moti Milgrom提出，他發現如果我們將牛頓引力中的加速度稍微改變一點點，我們就可以解釋這些星系的自轉曲線。這樣的修正可以解釋所有的星系自轉，從最小的到最大的。MOND至今都跟觀測符合的相當好。
（? NASA/ESA/T.Brown & J.Tumlinson）
另一方面，暗物質是理論上提出來，並非由標準模型中的那些普通粒子構成的。這些普通物質，比如中子、質子和電子組成了我們今天所看到的一切。暗物質則是一種全新的物質。為了解釋旋轉現象，一個環繞星系外圍的巨大的物質暈被提出來，它不與光相互作用，不與普通物質粘合在一起，互相也不粘合。
暗物質也可以解釋那些旋轉曲線，但是表現的並沒有MOND好。而對暗物質暈的模擬與觀測結果符合的並不是很好。如果這些旋轉曲線是我們唯一的數據，那無疑MOND具有更大的優勢。
但是，當你提出一個新的理論來取代舊的時候，比如廣義相對論取代牛頓定律，這樣的理論必須滿足三個條件：
它必須能夠複製舊理論所有的成功之處；
它必須能夠解釋新的想像，也就是它之所以被提出的目的；
最重要的是它必須有預言能力，並且能夠在實驗和觀測上被驗證，是這個理論所獨有的。
哈勃望遠鏡拍攝到的一個巨大遙遠的星系團，顯示一些支持暗物質的證據。（? NASA/ESA etc.）
我們知道，廣義相對論在很多方面都非常的成功，比如星光在大質量引力場下被偏折，包括強和弱的引力透鏡；引力時間延緩和引力紅移；大爆炸模型的框架和膨脹宇宙的概念；星系在星團內的運動和星系團本身也在更大構造的設計里等等。
所有的這些現象，MOND都無法解釋，它沒有給出任何預言或者預言跟現有的數據完全不符。那是不是意味著MOND在星系自轉曲線上的勝利只是巧合？或者你可以這麼辯解，MOND本身就不是一個完整的理論，它只是完整理論中的以部分，解釋了其中一個現象。這樣的想法有很多追隨者，現在有很多人在研究MOND的延伸理論來解釋這些觀測，但目前並沒有一個理論能夠脫引而出。這其中包括貝肯斯坦提出的張量-向量-標量引力（TeVeS），莫菲特提出的修正引力（MoG）和其它。
但是如果你保留愛因斯坦引力理論，而只是簡單的在裡面加入一個新的元素，也就是冷暗物質你就可以解釋所有的這些。如果宇宙中的暗物質比普通物質多五倍，你可以解釋宇宙中大尺度結構的聚集模型，包括圖中的曲線和波動。
普蘭克衛星2015年的觀測結果。（? arXiv:1502.02114）
SSDS的觀測結果，點表示為大尺度結構聚集數據和實線為對宇宙中暗物質（85%）和普通物質（15%）的預測。（? L.Anderson et al. 2012）。
更令人信服的是，我們有了一個全新的預言：當兩個星系團相遇，在其中的氣體應該被加熱，放慢並輻射X射線（粉紅），通過引力透鏡我們可以看到的物質（藍色）應該跟隨暗物質並被X射線驅散開來。這樣的一個現象已經在過去的十年內被觀測到。是暗物質存在的一個間接證據！
暗物質（藍色）和普通物質（粉色）。詳見：《暗物質存在的證據》。
MOND相比於暗物質的確打了一場大勝仗：它比暗物質能更好的解釋了星系的自轉曲線。但是它還不能構成一個物理理論，並且無法解釋其它的觀測數據。之所以你會聽到暗物質的存在是因為對宇宙的單一修正我們可以得到自洽的圖景。MOND或許真的是一個完整引力理論的一個線索。但目前為止，MOND在宇宙學上的失敗，使它相比暗物質之下黯然失色。它有它值得被繼續研究的理由，但目前還無法形成一個替代。最後，再重申一下，一個全新的引力理論必須能夠：
複製廣義相對論的所有成功；
解釋新的現象；
做出可被驗證的新預言。
那個時候，或許就沒暗物質什麼事了。
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