只有暗物質才能解釋宇宙，而不是被修正的引力理論

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】如果你看一下宇宙中所有的星系，測量能探測到的所有物質，然後標出這些星系是如何運動的，會發現很困惑。而在太陽系中行星繞著太陽運行的速度越快，離中心越近，正如萬有引力定律所預測的那樣：銀河系中心周圍的恆星不全這樣。儘管質量集中在中央凸起和類似平面的圓盤上，星系外區域的恆星卻以與內部區域相同的速度繞著它旋轉，這與預測相反。

圖註：宇宙中大規模結構的演變，從早期的統一狀態到我們今天所知的聚集宇宙。如果改變了宇宙所擁有的東西，暗物質的類型和丰度就會產生一個完全不同的宇宙。圖片信息及版權：Angulo et al. 2008, via Durham University

很明顯，缺少一些東西，有兩種解決方案：要麼有一些看不見的質量彌補赤字，要麼需要修改引力定律，就像我們從牛頓跳到愛因斯坦那樣。雖然這兩種可能性似乎都合理，但看不見的質量解釋，即所謂的暗物質是遠遠超過了最好的選擇，這是為什麼？

圖註：理論上單個星系可以通過暗物質或重力的改變來解釋，但它們並不是我們對宇宙構成的最佳證據，也不是今天的樣子。圖片信息及版權：Stefania.deluca of Wikimedia Commons

首先，答案與單個星系無關。星系是已知宇宙中最髒亂的物質集合之一，當測量宇宙本身的本質時，則需要最乾淨的環境。有一個專門研究這個領域的研究領域——被稱為物理宇宙學。當宇宙誕生時非常接近均勻：各處密度幾乎完全相同。據估計，宇宙開始時密度最大的區域密度比大爆炸開始時密度最小的區域要低0.01%。引力的作用非常簡單，甚至在宇宙尺度上處理小偏離的平均密度時，這就是所謂的線性系統，並為引力和暗物質提供了一個偉大的宇宙測量。

圖註：在z = 0處的Illustris體積的大規模模擬，15Mpc / h深集中在最大的群集上，顯示暗物質密度（左）過渡到氣體密度（右），宇宙大規模結構不能在沒有暗物質的情況下解釋。圖片信息及版權：Illustris Collaboration / Illustris Simulation

當處理大量的平均偏差時會進入所謂的非線性狀態，這就使得這些測試很難得出結論。今天像銀河系這樣的星系可能比平均宇宙密度高一百萬倍，這使得它穩固地處於非線性狀態。另一方面，如果在非常大尺度上觀察宇宙，或者在宇宙很早期的時候，引力效應都會更線性，這使得它成為理想的實驗室。如果想知道改變引力或增加暗物質的額外成分是一種方法，需要看效果最清楚的地方，這就是最容易預測引力效應的地方——線性系統中，這是探索那個時代宇宙的最佳方式。

Top1、宇宙微波背景中的波動

圖註：宇宙微波背景中的波動首先是由COBE在上世紀90年代準確地測量出來的，然後在21世紀10年代的WMAP和2010年的普朗克(上圖)更準確地測量了。這幅圖像編碼了大量關於早期宇宙的信息，包括它的組成、年齡和歷史。圖片信息及版權：ESA and the Planck Collaboration

這是我們對宇宙最早的真實寫照，以及大爆炸發生38萬年後能量密度的波動。藍色區域對應的是密度過大，物質集中的地方開始了不可避免的引力增長，沿著它們的路徑形成恆星、星系和星系團。紅色區域是密度較低的區域，物質在其周圍密集的區域丟失。通過觀察這些溫度波動和它們之間的聯繫——也就是說在特定的尺度上平均波動幅度與平均溫度相差甚遠，可以從中了解到宇宙構成的知識。

圖註：由宇宙微波背景中的數據得出的這些聲波峰的相對高度和位置與由68％暗能量，27％暗物質和5％正常物質組成的宇宙完全一致，偏差受到嚴格限制。圖片信息及版權：Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation - Planck Collaboration (Ade, P.A.R. et al.) arXiv:1502.02114

特別是上述七個峰值的位置和高度（尤其是相對高度）與一個特定的契合度驚人地一致：一個是68%暗能量的宇宙，27%是暗物質，5%是正常物質。如果不包括暗物質，那麼奇數峰和偶數峰的相對大小就無法匹配。通過修改引力理論所最好的結果是：要麼得到前兩個峰值（而不是第三個或更高的峰值），要麼通過增加一些暗物質來獲得峰值的正確光譜，這就破壞了所有的目標。愛因斯坦的引力理論沒有任何已知的改變，即使事後再現也可以再現這些預測，而不會增加暗物質。

圖註：由重子聲學振蕩引起的聚類模式的一個例子，即在某一距離上發現一個星系與其他星系的距離的可能性是受暗物質和正常物質之間的關係支配的。隨著宇宙的膨脹，這一特徵距離也會擴大，從而使我們能夠測量哈勃常數。圖片版權：Zosia Rostomian

Top2、宇宙中的大規模結構

如果有一個星系，有多大可能在距離一定距離內找到另一個星系？如果在一定的體積範圍內觀察宇宙，你期望在那裡看到與「平均」數量的星系有什麼不同？這些問題是理解大規模結構的核心，答案非常地依賴於萬有引力定律和宇宙中存在的東西。一個100%的物質都是正常物質的宇宙中，在特定的大尺度上將會有大量的結構形成，而如果宇宙是由暗物質主導的，那麼就只能在光滑的背景上疊加小的抑制。不需要任何模擬或非線性效應來探測這個，這一切都可以動手來計算。

圖註：觀測到的星系（紅點）的數據點和暗物質（黑線）的宇宙學預測都非常好。藍色的線與引力無關，不能在沒有暗物質的情況下重現這個觀測。圖片信息及版權：S. Dodelson, from http://arxiv.org/abs/1112.1320

當關注這些最大尺度的宇宙，並與這些不同情景的預測進行比較時，結果是無可爭議的。這些紅點（如圖所示）是來自宇宙的觀察數據。黑線是標準ΛCDM宇宙學的預言，有正常物質，暗物質（六倍於正常物質的量），暗能量和廣義相對論的規律。注意其中的小擺動以及如何非常好的預測與數據相匹配程度。藍線是正常物質和修改過的重力（虛線）情景下正常物質的預測，沒有暗物質。再一次也沒有對已知的引力理論進行修改，即使在事後也能重現這些結果，也不包括暗物質。

Top3、早期宇宙中形成輕元素的相對丰度

圖註：質子和中子在早期宇宙中形成最輕元素和同位素的途徑：氘，氦-3和氦-4。核子與光子的比例決定了今天將在宇宙中的元素有多少。這些測量使我們能夠非常精確地知道整個宇宙中正常物質的密度。圖片信息及版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy

這並不是一個與暗物質相關的問題，也不是非常依賴引力。早期宇宙的物理學告訴我們在宇宙非常均勻的情況下，當原子核在高能量條件下時可以準確預測氫，氘，氦-3，氦-4和鋰，應該從今天看到的原始氣體的大爆炸中遺留下來。所有這些結果都依賴於一個參數：宇宙中光子與重子（質子和中子組合）的比率。測量了宇宙中的光子數量，這要歸功於WMAP和Planck衛星，並且還測量了這些元素的丰度。

圖註：由大爆炸核合成所預測的氦-4、氘、氦-3和鋰-7的預測丰度（如在紅圈中觀測顯示的）。圖片信息及版權：NASA / WMAP Science Team

把它們放在一起可以告訴我們宇宙中正常物質的總量：它是臨界密度的4.9％，換句話說是所知道宇宙中正常物質的總量。它的數量與宇宙微波背景數據和大規模結構數據有著驚人的一致性，但它只有約15％的物質總量存在。再次沒有已知的引力理論的修改可以給這些大規模的預測，也給這個正常物質的低丰度。

Top4、宇宙中大星系團星光的引力彎曲

圖註：在光學系統中通過引力透鏡可以發現宇宙中曾經見過的最深處最暗的星系，這是哈勃的前沿領域之一。圖片信息及版權：NASA / STScI

當觀察宇宙中最大的質量物質集合時，那些最接近於仍處於線性結構形成狀態的物質，它們發出的背景光被扭曲了。這是由於星光的引力彎曲在相對論中被稱為引力透鏡。當使用這些觀察來確定宇宙中存在的總質量是多少時，得到的數字與一直得到的數量相同：大約30％的宇宙總能量必須存在於所有形式的物質中，並加在一起重現這些結果。正常情況下只有4.9％存在，這意味著必須存在某種暗物質。

圖註：星系團Abell S1063中的引力透鏡，展現了物質和能量對星光的彎曲。圖片信息及版權：NASA, ESA, and J. Lotz (STScI)

當看到整套數據，而不僅僅是一些關於混亂，複雜，非線性狀態的小細節時，沒有辦法在不添加暗物質的情況下獲得今天的宇宙。使用Occam剃刀（錯誤地）支持MOND或MOdified牛頓動力學的人需要考慮修改牛頓定律不會解決這些問題。如果使用牛頓，那麼就錯過了愛因斯坦相對論的成功之處，這些成就在這裡不勝枚舉。有夏皮羅時間延遲，有引力時間膨脹和引力紅移，有大爆炸的框架和不斷膨脹的宇宙的概念，有Lens-Thirring效應，直接檢測引力波其測量速度等於光速。

圖註：在最大的尺度上星系聚集在一起的方式（藍色和紫色）不能通過模擬來匹配（紅色）除非包含了暗物質。圖片信息及版權：Gerard Lemson & the Virgo Consortium, with data from SDSS, 2dFGRS and the Millennium Simulation

而對於所有這些觀察結果，引力並沒有單一的修改可以重現這些成功。在公共領域裡「有一些聲音的人」擁護MOND（或其他修改過的引力變形）作為暗物質的合理替代物，但現在根本不是這樣的。宇宙學界對暗物質的需求並不是教條主義，我們「相信」它是因為所有這些觀察都要求它。然而儘管所有努力都在改變相對論，但沒有任何已知的修改可以解釋這四個點中的兩個，更不用說全部四個，但是暗物質可以，而且確實如此。

僅僅因為暗物質對某些人來說似乎是一個欺騙因素，與修改愛因斯坦引力理論的想法相比，並不能給後者帶來額外的重量。正如Umberto Eco在福柯的鐘擺中所寫的那樣：正如那個人所說的那樣，對於每一個複雜的問題都有一個簡單的解決方案，這是錯誤的。如果有人試圖向你推銷修改後的引力理論，請問他們關於宇宙微波背景。問他們關於大型結構，問他們關於Big Bang Nucleosynthesis和其他全部宇宙學觀察結果。直到他們有一個和暗物質一樣好的答案，否則不要讓自己滿意。

圖註：四個相互碰撞的星系團，顯示x射線（粉紅色）和萬有引力（藍色）之間的分離暗示暗物質。在大尺度上冷暗物質是必要的，沒有替代物或方法。圖片信息及版權：X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (top left); X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Optical: NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right)

修改過的引力無法成功預測宇宙的大規模結構，這是宇宙充滿暗物質的方式。直到可以的時候，作為一個嚴肅的競爭對手，不值得付出任何代價。在試圖破譯宇宙時，不能忽視物理宇宙學，而大規模結構，微波背景，光元素和星光彎曲的預測是物理宇宙學中最基本和最重要的預測。MOND對暗物質有很大的勝利：直到今天它解釋了星系的旋轉曲線比暗物質的旋轉曲線更好。但它還不是一個物理理論，它與我們掌握的全套觀察結果不一致。在那一天到來之前，暗物質將理所當然地成為構成我們宇宙質量的主要理論。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes Science

編譯：公子世無雙

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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