荷兰,享誉世界的风车之国,一个兼具西欧湿润气候和郁金香芬芳浪漫的国度。在这个宽容自由的环境里,新思想的诞生不会令人过分意外。今年暑期,一只活蹦乱跳的笔者抓住假期仅存的一节尾巴,来到了荷兰莱顿大学(Leiden University)洛伦兹研究所和历史悠久的莱顿天文台,访问了这里的宇宙学研究组,也恰好遇见了一群充满激情的年轻研究者,他们的研究涉及到检验一种不需要引入暗物质的新引力理论。
星系旋转曲线引发的猜想。在牛顿和爱因斯坦的引力理论中,有质量物体的引力强度与距离它的尺度平方呈反比关系。这意味着,围绕银河中心旋转的星体在越远的轨道上运行,所感应的引力也就越小,速度也会慢下来。然而,20世纪70年代美国天文学家维拉•鲁宾(Vera Rubin)在长年累月的夜空观测下发现了星系旋转速度的“扁平化”现象。
半个多世纪以来,天文学家们坚信在日常可见的星系和星系团背后隐藏着一大团“看不见”的物质,正是这种不可见的物质为星系中的星体带来了额外的引力加速,从而导致了星系旋转速度的“扁平化”现象(见图1)。
这一假设存在的不可见物质被称为暗物质(dark matter)。经由引力透镜、宇宙大尺度结构形成、微波背景辐射等多种天文实验的探测,并结合爱因斯坦引力框架下的标准大爆炸宇宙学理论模型,可以得知:整个宇宙的构成中,常规的可见物质(即重子物质,baryon matter)只占不到5%,而暗物质则占25%以上,剩下的则为暗能量。
然而,就在大家热火朝天地寻找新粒子时,也有人在质疑暗物质猜想的根基。2016年11月,荷兰理论物理学家埃里克•弗林德(Erik Verlinde)在预印本上发表了一篇长达51页的论文。他认为,我们看到的所谓暗物质效应只不过是引力作为“熵力”所带来的一个副产物。这篇极具争议的文章一经面世,就如同一枚重磅炸弹在物理界中炸开了锅。多年来大家梦回牵萦的暗物质粒子或许并不存在?!
那么,“熵力”又是什么?
目前,人类对于引力相互作用最成功的描述依然是爱因斯坦在100年前提出的广义相对论。这一优美的理论已经成功描述了从太阳系到膨胀宇宙等众多引力系统。其最后一块拼图——引力波也在2016年2月被LIGO探测到,并获得了2017年的诺贝尔物理学奖。然而,在人类探索引力本质的道路上依旧谜团重重。
一方面,如果要在爱因斯坦的引力理论框架下解释众多的宇宙学观测,我们需要引入未知的暗物质和暗能量;另一方面,从理论自洽性上讲,广义相对论和现代物理的另一大支柱——量子力学在最基本的层面上皆存在不可调和的矛盾。这让人们相信,应该存在更为基本的量子引力理论来描述宇宙万物。
万里长征才刚刚开始。弗林德的另一个“罩门”就是所谓的子弹星系团簇(Bullet Cluster)——波澜壮阔的两个星系团相撞过程。
天文学家用光学方法观测到两个星系团重子物质气体的质量位置,同时又用引力透镜方法测量了星系团总质量的中心位置,结果发现二者并不重合。最直观的解释是,在两个星系团相撞期间,暗物质只参与了引力作用,而可见物质之间则发生了摩擦碰撞,于是可见物质滞留在暗物质后面使得二者的质心出现偏离。显然,缺乏动力学演化的弗林德引力目前还无法解释上述观测事实。