因此，物理學(xué)家們提出，一種被稱為 “暗物質(zhì) ”的無(wú)形物質(zhì)提供了額外的引力，導(dǎo)致恒星加速--這一理論已被廣泛接受。然而，在最近的一篇評(píng)論中，圣安德魯斯大學(xué)天體物理學(xué)博士后研究員 Indranil Banik及其同事們提出，在廣泛的尺度上的觀察結(jié)果在另一種引力理論中得到了更好的解釋，這種理論稱為Milgromian dynamics或Mond--不需要看不見(jiàn)的物質(zhì)。它是由以色列物理學(xué)家Mordehai Milgrom在1982年首次提出的。

Mond的主要假設(shè)是，當(dāng)引力變得非常弱時(shí)，就像在星系的邊緣那樣，它開始表現(xiàn)得與牛頓物理學(xué)不同。這樣一來(lái)，就有可能解釋為什么150多個(gè)星系外圍的恒星、行星和氣體的旋轉(zhuǎn)速度比僅僅基于其可見(jiàn)質(zhì)量的預(yù)期快。然而，Mond不僅僅解釋了這種旋轉(zhuǎn)曲線，在許多情況下，它還預(yù)測(cè)了它們。

(相關(guān)資料圖)

科學(xué)哲學(xué)家們認(rèn)為，這種預(yù)測(cè)能力使Mond優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，后者提出宇宙中的暗物質(zhì)多于可見(jiàn)物質(zhì)。這是因?yàn)椋鶕?jù)這個(gè)模型，星系有一個(gè)高度不確定的暗物質(zhì)數(shù)量，這取決于星系如何形成的細(xì)節(jié)--物理學(xué)家們并不總是知道這些。這使得科學(xué)家們可能預(yù)測(cè)星系應(yīng)該旋轉(zhuǎn)多快。但是這樣的預(yù)測(cè)通常是用Mond來(lái)做的，而且到目前為止，這些預(yù)測(cè)已經(jīng)得到了證實(shí)。

想象一下，物理學(xué)家們知道一個(gè)星系中可見(jiàn)質(zhì)量的分布，但還不知道其旋轉(zhuǎn)速度。在標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型中，物理學(xué)家們只能有把握地說(shuō)，旋轉(zhuǎn)速度將在外圍的100km/s 和300km/s 之間出來(lái)。Mond做出了一個(gè)更明確的預(yù)測(cè)，即旋轉(zhuǎn)速度必須在180-190km/s之間。

如果后來(lái)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度為188km/s，那么這與兩種理論都是一致的--但顯然，Mond更受歡迎。這是“奧卡姆剃刀定律”（Occam's Razor）的一個(gè)現(xiàn)代版本--最簡(jiǎn)單的解決方案比更復(fù)雜的解決方案更可取，在這種情況下，物理學(xué)家們應(yīng)該用盡可能少的“自由參數(shù)”來(lái)解釋觀測(cè)。自由參數(shù)是常數(shù)--物理學(xué)家們必須將某些數(shù)字插入方程以使其發(fā)揮作用。但它們不是由理論本身給出的--沒(méi)有理由它們應(yīng)該有任何特定的值--所以物理學(xué)家們必須通過(guò)觀察來(lái)測(cè)量它們。一個(gè)例子是牛頓引力理論中的引力常數(shù)G，或者標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中星系中的暗物質(zhì)數(shù)量。

在Banik及其同事引入了一個(gè)被稱為“理論靈活性 ”的概念，以捕捉“奧卡姆剃刀定律”的基本思想，即一個(gè)具有更多自由參數(shù)的理論與更廣泛的數(shù)據(jù)一致--使其更加復(fù)雜。在Banik及其同事的評(píng)論中，他們?cè)跍y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型和Mond與各種天文觀測(cè)數(shù)據(jù)（如星系的旋轉(zhuǎn)和星系團(tuán)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)）時(shí)使用了這個(gè)概念。

每一次，他們都給“理論靈活性 ”打分，分值在-2和+2之間。-2分表示一個(gè)模型在不偷看數(shù)據(jù)的情況下做出了明確、精確的預(yù)測(cè)。相反，+2意味著“什么都可以”--理論家們將能夠適應(yīng)幾乎任何合理的觀測(cè)結(jié)果（因?yàn)橛羞@么多自由參數(shù)）。他們還對(duì)每個(gè)模型與觀測(cè)結(jié)果的吻合程度進(jìn)行了評(píng)分，+2表示非常吻合，-2則保留給那些明顯表明理論是錯(cuò)誤的觀測(cè)結(jié)果。然后他們從與觀測(cè)結(jié)果的吻合度中減去理論靈活性的分?jǐn)?shù)，因?yàn)榕c數(shù)據(jù)的吻合度很好--但能夠適應(yīng)任何東西就不好了。

一個(gè)好的理論會(huì)做出后來(lái)被證實(shí)的明確預(yù)測(cè)，最好在許多不同的測(cè)試中得到+4的綜合分?jǐn)?shù) (+2 -(-2) = +4).。一個(gè)壞的理論會(huì)得到0到4的分?jǐn)?shù) (-2 -(+2)= -4)。精確的預(yù)測(cè)在這種情況下會(huì)失敗--這些在錯(cuò)誤的物理學(xué)中不太可能起作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型在32次測(cè)試中的平均得分是-0.25分，而Mond在29次測(cè)試中取得的平均得分是+1.69分。每個(gè)理論在許多不同測(cè)試中的得分分別顯示在下面的兩張圖中，是標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型和Mond的得分。

暗物質(zhì)的問(wèn)題

標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型最引人注目的失敗之一與 “星系棒”有關(guān)--由恒星組成的棒狀明亮區(qū)域--螺旋星系在其中心區(qū)域經(jīng)常有這種情況。這些星系棒會(huì)隨著時(shí)間的推移而旋轉(zhuǎn)。如果星系被嵌入大規(guī)模的暗物質(zhì)光環(huán)中，它們的星系條就會(huì)慢下來(lái)。然而，大多數(shù)，如果不是全部，觀察到的星系條形圖都是快速的。這就以非常高的置信度否定了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。

另一個(gè)問(wèn)題是，最初提出星系有暗物質(zhì)光環(huán)的模型犯了一個(gè)大錯(cuò)--他們假設(shè)暗物質(zhì)粒子為它周圍的物質(zhì)提供引力，但不受正常物質(zhì)引力的影響。這簡(jiǎn)化了計(jì)算，但它并沒(méi)有反映現(xiàn)實(shí)。當(dāng)在隨后的模擬中考慮到這一點(diǎn)時(shí)，很明顯，星系周圍的暗物質(zhì)光環(huán)并不能可靠地解釋它們的特性。

研究人員在評(píng)論中調(diào)查了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的許多其他失敗之處，Mond往往能夠自然地解釋觀測(cè)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型之所以如此受歡迎，可能是由于計(jì)算上的錯(cuò)誤或?qū)ζ涫〉恼J(rèn)識(shí)有限，其中一些是最近才發(fā)現(xiàn)的。這也可能是由于人們不愿意調(diào)整一個(gè)在許多其他物理學(xué)領(lǐng)域都非常成功的引力理論。

在Banik及其同事的研究中，Mond對(duì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的巨大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)使他們得出結(jié)論：Mond受到現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)果的強(qiáng)烈青睞。雖然他們并不聲稱Mond是完美的，但仍然認(rèn)為它得到了正確的大畫面--星系確實(shí)缺乏暗物質(zhì)。