新的引力理论通过第一道检验
上个月初的时候，我们提到弦理论物理学家Erik Verlinde提出了一个新的引力理论，称为Emergent Gravity。他认为引力并不是自然界中的基本力（已知的四种基本力为：电磁力、强核力、弱核力和引力），而是一种突发的现象，这就好比是温度是由微观粒子的运动引起的突发现象。
我们知道目前最好的引力理论是爱因斯坦的广义相对论，在过去的100年中，广义相对论通过了所有最精密的检验。假设广义相对论在大尺度也是正确的，我们就会发现，星系的自转速度太快了，可见物质（包括行星和恒星）所施加的引力无法束缚住整个星系。因此我们有理由推测有一些看不见的暗物质提供了额外的引力来源，否则星系早就会分崩离析。
△ 星系自转曲线图。根据广义相对论，必须有许多看不见暗物质提供额外的引力来源才能维持整个星系。（图片来源：Stefania deluca）
而在Verlinde的新引力理论中，则完全不需要暗物质就可以解释星系的转动。Verlinde的理论在2010年就提出来了，但是在上个月他继续补充了自己的理论，提出了“暗引力”。随着距离越来越大，暗引力衰减的速度要比牛顿和爱因斯坦的引力模型更慢，因此能够提供额外的引力。
但是我们知道，一个理论要成为科学理论就必须经得起检验。为了检验Verlinde的理论，荷兰莱顿天文台的天文学家Margot Brouwer领导的一个团队对33613个星系中的质量分布进行了测量。测量结果表明Verlinde的引力理论和观测相吻合，也就是说在新的引力理论中，可见物质的质量提供了足够的引力，而不需要暗物质的存在。
Margot Brouwer的团队是利用一种叫“引力透镜”的方法来测量星系中的物质分布。
△ 引力透镜是爱因斯坦的引力理论中一个重要的预言。整个系统包括：观测者（Earth）、前景星系（Foreground galaxy）和遥远的背景星系（Distant galaxy）。（图片来源：Herschel ATLAS Gravitational Lenses）
根据广义相对论，质量会弯曲它周围的空间，当光线经过时就会被弯曲，就好像是通过透镜一样。引力透镜包括三个部分：
背景星系（源）：也就是光线的来源，通常来自非常遥远的类星体、星系、星系团或恒星，基本只要是发光物体就可以；
前景星系（透镜）：介于源和观测者之间的物体，将来自源的光线弯曲，弯曲程度取决于透镜的质量和分布。
地球（观测者）：观测到的背景星系位置跟实际的不同，因为光线经过透镜时被偏折了。
通过测量引力透镜的效应我们就可以知道前景星系的引力分布。利用统计算法——考虑了背景星系的形状和颜色——Brouwer对33613个前景星系进行了分析，其结果跟Verlinde的引力模型和暗物质模型都吻合。
△ 星系的引力会弯曲空间，当光线经过这片空间时就会被弯曲。弯曲的光线允许天文学家测量星系的引力分布。（图片来源：APS/Alan Stonebraker/STScl/AURA/NASA/ESA/Hubble Heritage Team）
Brouwer的结果于12月12日发表在《皇家天文学会每月通报》上，刚好在科学家正热烈的讨论爱因斯坦的理论是否在黑洞的边界失效之后（详见《成也LIGO，败也LIGO？》）。这个结果是非常耐人寻味的，但是有两点需要注意：
首先，Brouwer也强调，暗物质模型也可以解释这额外的引力。只不过，暗物质的质量是个自由参数，必须通过观测调节。而Verlinde的理论提供了直接的预测，不需要任何自由参数。
其次，Verlinde的理论目前只适用于孤立、球面和静态的系统。换句话说，Verlinde的理论只描述了最简单的一种情况，这些系统是无法反映动态和复杂的真实宇宙。
虽然Verlinde的引力理论不需要暗物质就可以解释观测到的引力现象，但暗物质模型不能被完全排除。因为还有许多观测现象是Verlinde的理论还没有解释的。重点在于，该理论接下来会怎么发展，以及如何进行下一步的检验。
参考文献：
【1】Margot M. Brouwer et al. First test of Verlinde's theory of Emergent Gravity using Weak Gravitational Lensing measurements, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2016). DOI: 10.1093/mnras/stw3192 , On Arxiv: https://arxiv.org/abs/1612.03034
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