或许暗物质并不存在？
后发星系团，第一个被观测并支持暗物质模型的星团。（© Adam Block）
在宇宙中，有84%的物质被认为是暗物质，这可以由其产生的引力大小测算出来。暗物质跟我们日常所知道的物质非常的不同。在太阳系中，太阳是质量最大的天体，它是由普通物质（比如质子，中子和电子）构成的；除了太阳，我们知道还有其它的一些物质来源，包括行星、气体、尘埃、等离子体和恒星残留物。暗物质不可能是任何这些东西，它也不可能是由标准模型中的粒子构成的。
但是，暗物质并不是唯一一个解释在宇宙中观测到的引力现象。另一个想法是修正引力理论本身，并且有很多人已经在尝试构建这样的理论。比如“修正牛顿引力理论”（MOND），这是众多替代暗物质最流行的理论。
为了更好的解释这其中的来龙去脉，让我们回到19世纪，来解决一个长久悬而未决的问题：消失的质量。这也是暗物质和MOND试图解决的：天王星和水星的问题。牛顿在17世纪提出的引力定律，非常成功的解释了我们遇到的所有问题。从抛体运动到滚动的物体，从物体的重量到滴答走动的摆钟；从浮力到月亮绕着地球的转动，牛顿引力都很好的发挥着自己强大的预言能力。
事实上，开普勒的三大定律是牛顿引力方程的一个特殊情况。对于所有的行星我们知道：
每个行星都沿着各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳处在椭圆的一个焦点中。
在同等时间间隔内，行星绕着太阳公转所扫过的面积相等。
行星绕着太阳公转的周期平方和它们的椭圆轨道的半长轴立方成正比。
我们所知道的世界完美的符合着这三大定律，百年来我们都没有看到任何与理论偏差的地方。直到1781年天王星的发现，事情开始有所改变。这颗刚发现的行星沿着椭圆轨道环绕着太阳，但是根据引力定律，它以与理论预言所不同的速度在绕行着。
在被发现的头20年内，相比引力定律的计算，它的绕行速度更加的快。然而，在接下来的20-25年，它的运动速度又跟定律给出的一样。但是再接下来，它又以更慢的速度运行着。
蓝色轨道为冥王星，绿色为天王星，木星和土星分别为青色和橘色。（© Michael Richmond）
难道牛顿引力定律错了？或许。但是更简单的答案是，如果我们假设在天王星附近存在着更多的物质，一些我们无法看到的，比如暗物质，这多余的引力在影响着天王星，导致了它的轨道异常。事情的确往预想的方向发生，但这额外的质量并非暗物质。勒维耶和亚当斯分别独立地预言了在天王星外应该存在着另一颗行星。1846年9月23日，伽勒宣布发现了冥王星，勒维耶的预言被证实了。
而另一方面，离太阳最近的行星——水星，不断增加的观测数据显示出了水星的轨道以一种更加奇怪的方式违反着引力定律。开普勒定律预言，在没有其它质量的干扰或影响下，行星应该以完美的椭圆轨道环绕着处于焦点中的太阳。但是，随着时间的流逝，水星的椭圆轨道会偏移。在下图中可以清楚的看到水星进动的现象，水星的轨道并非闭合的。
红色代表牛顿引力的预测椭圆轨道（闭合），蓝色为爱因斯坦预测的水星椭圆轨道。（© Wikimedia Commons）
利用牛顿的引力定律，并且考虑所有能够影响水星其它因素，包括所有已知行星以及地球的岁差。我们仍发现预言和观测存在着偏差，也就是每世纪43秒的偏差。这次我们又该如何解释？冥王星的发现让天文学家开始设想，是否在水星和太阳之间有额外的行星存在？又或者这次的确是牛顿引力自身的问题？天文学家努力的寻找着一颗离太阳更近的一个全新的理论行星——祝融星。直到1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，完美的解决了水星进动问题，祝融星的存在也被排除。
现在，我们把时间推进到1970年代，美国天文学家薇拉•鲁宾对星系自转速度测量的一系列重大发现。薇拉•鲁宾观测的是单独的星系，特别是侧向面对我们的星系，并且测量它们的速度。由于星系旋转，我们会发现星系的一端会向我们移动（蓝移），而另一端则远离我们（红移）。根据引力理论，我们期待看到的是，就像太阳系中的情况一样，星系的旋转速率应该在离核心一段距离后随着距离的增加而减少。
星系自转曲线图。（© Stefania deluca）
然而，薇拉•鲁宾的研究工作发现了实际观测的星系旋转速度与原先理论的预测有所出入，单独星系的自转曲线远在可见物质之外的距离上依然保持平坦（有着相同的速度）。那么，这次又是为什么呢？同样，我们有面临着两个选择：要么现有的引力理论需要修正，要么我们必须假设有更多的看不见的质量的存在。
“修正牛顿引力理论”（MOND）于1981年被Moti Milgrom提出，他发现如果我们将牛顿引力中的加速度稍微改变一点点，我们就可以解释这些星系的自转曲线。这样的修正可以解释所有的星系自转，从最小的到最大的。MOND至今都跟观测符合的相当好。
（© NASA/ESA/T.Brown & J.Tumlinson）
另一方面，暗物质是理论上提出来，并非由标准模型中的那些普通粒子构成的。这些普通物质，比如中子、质子和电子组成了我们今天所看到的一切。暗物质则是一种全新的物质。为了解释旋转现象，一个环绕星系外围的巨大的物质晕被提出来，它不与光相互作用，不与普通物质粘合在一起，互相也不粘合。
暗物质也可以解释那些旋转曲线，但是表现的并没有MOND好。而对暗物质晕的模拟与观测结果符合的并不是很好。如果这些旋转曲线是我们唯一的数据，那无疑MOND具有更大的优势。
但是，当你提出一个新的理论来取代旧的时候，比如广义相对论取代牛顿定律，这样的理论必须满足三个条件：
它必须能够复制旧理论所有的成功之处；
它必须能够解释新的想象，也就是它之所以被提出的目的；
最重要的是它必须有预言能力，并且能够在实验和观测上被验证，是这个理论所独有的。
哈勃望远镜拍摄到的一个巨大遥远的星系团，显示一些支持暗物质的证据。（© NASA/ESA etc.）
我们知道，广义相对论在很多方面都非常的成功，比如星光在大质量引力场下被偏折，包括强和弱的引力透镜；引力时间延缓和引力红移；大爆炸模型的框架和膨胀宇宙的概念；星系在星团内的运动和星系团本身也在更大构造的设计里等等。
所有的这些现象，MOND都无法解释，它没有给出任何预言或者预言跟现有的数据完全不符。那是不是意味着MOND在星系自转曲线上的胜利只是巧合？或者你可以这么辩解，MOND本身就不是一个完整的理论，它只是完整理论中的以部分，解释了其中一个现象。这样的想法有很多追随者，现在有很多人在研究MOND的延伸理论来解释这些观测，但目前并没有一个理论能够脱引而出。这其中包括贝肯斯坦提出的张量-向量-标量引力（TeVeS），莫菲特提出的修正引力（MoG）和其它。
但是如果你保留爱因斯坦引力理论，而只是简单的在里面加入一个新的元素，也就是冷暗物质你就可以解释所有的这些。如果宇宙中的暗物质比普通物质多五倍，你可以解释宇宙中大尺度结构的聚集模型，包括图中的曲线和波动。
普兰克卫星2015年的观测结果。（© arXiv:1502.02114）
SSDS的观测结果，点表示为大尺度结构聚集数据和实线为对宇宙中暗物质（85%）和普通物质（15%）的预测。（© L.Anderson et al. 2012）。
更令人信服的是，我们有了一个全新的预言：当两个星系团相遇，在其中的气体应该被加热，放慢并辐射X射线（粉红），通过引力透镜我们可以看到的物质（蓝色）应该跟随暗物质并被X射线驱散开来。这样的一个现象已经在过去的十年内被观测到。是暗物质存在的一个间接证据！
暗物质（蓝色）和普通物质（粉色）。详见：《暗物质存在的证据》。
MOND相比于暗物质的确打了一场大胜仗：它比暗物质能更好的解释了星系的自转曲线。但是它还不能构成一个物理理论，并且无法解释其它的观测数据。之所以你会听到暗物质的存在是因为对宇宙的单一修正我们可以得到自洽的图景。MOND或许真的是一个完整引力理论的一个线索。但目前为止，MOND在宇宙学上的失败，使它相比暗物质之下黯然失色。它有它值得被继续研究的理由，但目前还无法形成一个替代。最后，再重申一下，一个全新的引力理论必须能够：
复制广义相对论的所有成功；
解释新的现象；
做出可被验证的新预言。
那个时候，或许就没暗物质什么事了。
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