最新的研究發現，要解釋暗物質的存在，引力必須是非常奇怪的
暗物質是一種不可見的物質，它的引力被認為是星系維系在一起的原因，它可能是物理學中讓人最難以理解的概念。但一項新的研究發現，如果想回避暗物質，需要用一種更奇怪的東西來取代它——一種引力，在某種距離下，它把大質量的物體拉在一起，在另一距離下，它又把它們分開。這一分析強調了要解釋暗物質是多么的困難。卡內基梅隆大學的理論物理學家斯科特·多德爾森說，炮制這樣一個引力理論“太復雜了，似乎不太可能有人想出一個可行的方案。”不過，一些理論家說，通過測試還是有可能的。根據宇宙學家的理論，考慮到我們觀察到星系旋轉的速度，暗物質幾乎遍布每一個星系，提供額外的引力，阻止恒星隨意飄動。由這些東西組成的巨大的網是宇宙發展的腳手架。然而，經過幾十年的嘗試，物理學家們還沒有發現漂浮在周圍的暗物質粒子。一些科學家已經試圖擺脫暗物質的習慣。1983年，以色列物理學家莫德海·米爾格羅姆發現，他可以通過修正牛頓著名的第二運動定律來解釋星系外圍高速旋轉的恒星（力等于質量乘以加速度）。這一發現表明，至少在單個星系的尺度上，可以通過改變萬有引力定律來消除對暗物質的需要。但是理論家們花了幾十年的時間才把這個想法變成一個類似于阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論的有連貫性的引力理論，為了做到這一點，他們必須添加新的場（和通常的引力場類似）。但要消除暗物質，理論家們還需要解釋它在更大的宇宙尺度上的影響。NASA噴氣推進實驗室的宇宙學家克里斯·帕爾多和普林斯頓大學的宇宙學家大衛·斯佩格爾認為，這要困難得多。為了證明他們的觀點，他們將大爆炸余暉（宇宙微波背景輻射（CMB））測量結果所揭示的早期宇宙中普通物質的分布情況與今天的星系分布情況進行了比較。宇宙的演化是一個關于兩種流體的故事：不與光相互作用的暗物質，和與光相互作用的普通物質。大爆炸在暗物質中留下了波紋，它們在自己的引力作用下開始合并成更密集的點。普通物質（當時是自由飛行的質子和電子的熱湯）也開始落入暗物質團塊中。然而，這些帶電粒子本身產生的輻射將它們推了回來，產生了被稱為重子振蕩的聲波。宇宙大爆炸38萬年后，微波繼續擴散，直到宇宙冷卻到足以形成中性原子，這時CMB誕生了。聲波在宇宙微波背景上留下了痕跡，在星系的分布上也留下了微弱的痕跡。這種進化可以用普通物質通過改變重力相互作用來解釋嗎？為了探索這種可能性，帕爾多推導了一個數學函數，該函數描述了重力是如何從CMB揭示的普通物質分布得到當前星系的分布的。帕爾多在上周的《物理評論快報》上說，他們發現了一些驚人的現象：這個函數必須在正負值之間搖擺，這意味著引力在某些長度尺度上是吸引的，而在其他尺度上是排斥的。“這太奇怪了，”帕爾多說。這項新研究表明，如果沒有暗物質，引力將如何改變來解釋宇宙的大尺度結構。這種改變必須是徹底的。要做到這一點，宇宙學家必須要跨越這13個障礙。然而，理論家們似乎已經準備好跨越這些障礙。為了做到這一點，研究人員在廣義相對論這樣的理論中增加了一個額外的可調場，稱為標量場。它有能量，通過愛因斯坦質量和能量的等效性，它可以表現得像質量的一樣。在大的空間尺度下，把星體設置得恰到好處，標量場只與自身相互作用，就像暗物質一樣。在某種意義上，它只是用另一種經過精心調諧的標量場取代了一種神秘的東西——暗物質。
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