暗物质只是万有引力吗？
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如果暗物质只是整个宇宙对其自身的引力呢？
对一个有趣想法的全面探索
暗物质是现代宇宙学和天体物理学的一大谜团。涵盖星系自转曲线、引力透镜效应以及大尺度结构形成的观测结果强烈表明，宇宙中存在一种不与光相互作用的物质——因此被称为“暗”。基于牛顿和爱因斯坦引力的传统计算表明，可见的“正常”物质（质子、中子、电子）仅占宇宙总能量密度的5%左右，而暗物质被认为占27%左右（其余为暗能量）。
但如果这缺失的质量只是幻觉呢？或许它只是整个宇宙引力相互作用的结果——宇宙中每一颗恒星、行星和每一点气体的微小贡献，加起来产生了我们称之为“暗物质”的效应。这是一个引人入胜的思想实验：我们能否完全否定暗物质作为一个独立成分的存在，而将其效应简单地归因于所有可见物质在遥远距离上的引力总和？
在本文中，我们将深入探讨这一观点——研究暗物质的观测证据、科学家试图解释它的方式，以及为什么“它只是来自其他一切的引力”这一概念既抓住了一些真理，又最终在仔细审查后显得站不住脚。
1. 暗物质的证据
1.1 星系自转曲线
暗物质存在的首批有力证据之一来自于对恒星绕星系中心轨道运行的测量。根据牛顿力学，星系边缘恒星的轨道速度应该随着远离星系中心而减小——就像太阳系中的行星离太阳越远，运行速度越慢一样。
然而，天文学家发现，螺旋星系外围区域的恒星运动速度远超预期。这种现象被称为“平坦旋转曲线”，意味着星系外围的质量远超我们通过电磁辐射（所有波长的光）所能探测到的质量。如果星系外围的质量只有可见恒星、气体和尘埃，那么这些外围恒星的轨道速度应该更慢。对于它们出乎意料的高速运动，最简单的解释是存在一种额外的、看不见的质量——暗物质。
1.2 引力透镜
引力透镜效应是指大质量物体使光线发生弯曲，正如爱因斯坦广义相对论所预言的那样。天文学家在观察星系团时，观察到背景星系受到引力透镜效应的影响，其强度远超可见物质本身所能解释的程度。弯曲程度需要额外的质量——这再次暗示了暗物质的存在。
在一些著名的案例中，例如子弹星系团，天文学家观察到了可见质量与“透镜质量”之间的分离。在两个星系团的碰撞中，热气体（可在X射线图像中看到）与引力效应最强的地方分离。这表明存在一种不发生电磁相互作用的质量形式（i.e.，它不会像气体那样发生碰撞和减速），但却具有强大的引力影响。
1.3 宇宙学观测和结构形成
当我们观察宇宙微波背景辐射（CMB）——大爆炸的“余辉”——时，我们会看到密度波动的模式。这些波动最终形成了我们今天看到的星系和星团。结构形成的计算机模拟表明，暗物质对于解释这些初始结构“种子”如何快速生长，最终形成宇宙中观测到的大规模星系排列至关重要。如果没有暗物质，从近乎均匀的早期宇宙到我们现在看到的物质高度聚集的分布，将极其困难（甚至不可能）。
2. 提出的想法：所有物质的累积引力
“也许暗物质只是万物相互吸引的结果”这一观点确实有一定的吸引力。毕竟，引力在无限远的距离上起作用；无论两个质量物体相距多远，它们仍然会相互施加引力。想象一下宇宙中近乎无限数量的恒星和星系相互吸引，或许这会产生足够大的额外引力效应来解释缺失的质量。
2.1 直观的吸引力
1.引力效应的统一性： 从某种意义上说，它统一了问题。我们可以假设，我们只是在观察宇宙中已知物质的大规模后果，而不是引入一种新的物质。
2.简单性： 感觉更简单——只有重子物质（我们已知的那种），没有其他。也许我们忽略了累积的引力贡献，这种贡献在大尺度上会变得显著。
然而，尽管表面上简单，但面对精确的观测和经过充分检验的物理理论，这一提议却面临着巨大的挑战。让我们来揭秘其中的难点。
3. 为什么已知物质的总引力可能不够
3.1 标准重力法与修正重力法
试图解释没有暗物质的宇宙现象，通常被归类为“修正引力”。一些科学家并没有提出一种新的物质，而是提出要改变我们对宇宙尺度引力定律的理解。一个值得注意的例子是 MOND（修正牛顿动力学）。MOND 认为，在极低的加速度下（例如银河系边缘的加速度），重力的行为与牛顿或爱因斯坦的标准预测不同。
如果整个宇宙物质共同产生更强引力的观点是正确的，那么它可能属于类似于修正引力模型的范畴。MOND 及其相关理论的支持者仍在继续探索解释星系自转曲线和其他现象的方法。虽然 MOND 理论可以拟合一些观测结果（尤其是星系自转曲线），但它难以解释其他观测结果（例如子弹星系团的引力透镜质量分布）。
因此，任何“全物质引力”理论不仅需要考虑旋转曲线，还需要考虑透镜现象、星团碰撞以及大尺度结构的形成。迄今为止，尚未成功建立一个能够完全取代暗物质并解释所有观测结果的全面修正理论。
3.2 平方反比定律和宇宙尺度
根据牛顿万有引力定律，引力会随着两个质量之间距离的平方而减弱。在宇宙尺度上，遥远的星系、星团和物质丝确实存在引力，但这种引力会随着距离的增加而显著减弱。观测数据表明，我们肉眼可见的质量（重子物质）数量不足，且分布方式也不合理，不足以产生我们归因于暗物质的引力效应。
如果将宇宙中所有可见物质集中在一起并用于计算各种宇宙尺度的引力场，则所得数字仍然与观测到的旋转曲线、透镜强度或结构增长率不匹配。本质上，如果宇宙只包含重子物质，我们看到的引力效应就会比我们观察到的要弱得多。
3.3 子弹星团和“缺失”的质量分布
子弹星系团是一个尤为引人注目的证据。在两个星系团碰撞时，正常物质（主要以热气体的形式存在）的运动速度会因摩擦而减慢和拖曳，而非碰撞部分（被解读为暗物质）则会以最小的相互作用穿过星系团。引力透镜测量显示，大部分引力质量已经向前移动，领先于发光气体。
如果缺失的质量仅仅是宇宙中所有普通物质的净引力，我们预计其质量分布仍然与可见物质（由于碰撞而有效减慢）相一致。然而，可见气体与“引力质量”的分离强烈暗示着存在一个额外的、非碰撞成分——暗物质。
4. 在宇宙学背景下检验“全物质引力”
4.1 大爆炸核合成约束
早期宇宙形成了最轻的元素——氢、氦和微量的锂，这个过程被称为 大爆炸核合成（BBN）这些元素的丰度对重子（正常）物质的总密度很敏感。对宇宙微波背景辐射 (CMB) 和元素丰度的观测表明，宇宙中重子物质的含量不可能超过一定值，否则会与氦和氘的测量值相矛盾。如果暗物质只是更正常的物质，那么与观测结果相比，这些轻元素的产量最终会过剩（或不足）。简而言之，黑洞诞生理论告诉我们，重子物质必定只占总能量密度预算的一小部分（约 5%）。
4.2 宇宙微波背景测量
来自卫星的高精度数据 宇宙射线， 威尔金斯-梅隆大学， 和 普朗克 这使得宇宙学家能够以极高的精度测量宇宙微波背景辐射的温度波动。这些波动的模式——特别是它们的角功率谱——使我们能够了解宇宙中不同成分（暗物质、暗能量和重子物质）的密度。这些测量结果与一个宇宙学模型非常吻合，在该模型中，暗物质是一种独特的非重子成分。如果我们归因于暗物质的引力影响仅仅来自宇宙中所有正常物质，那么宇宙微波背景辐射的功率谱将会非常不同。
5. 暗物质实际上可能以其他方式“仅仅就是引力”吗？
“如果暗物质是引力本身的产物会怎样？”这个问题背后的概念导致了一类通常被称为 “修正引力理论。” 这些理论建议在星系或更大尺度上对爱因斯坦的广义相对论或牛顿动力学进行调整，有时还会涉及复杂的数学运算。它们旨在在不引入额外不可见粒子的情况下解释星系自转曲线和星系团透镜等现象。
修正引力理论的一些关键点和挑战包括：
- 微调： 在不影响太阳系物理或不违背广义相对论极其精确的测试的情况下调整银河系尺度的重力可能非常微妙。
- 结构形成： 修正的引力理论不仅要解释星系旋转，还要解释星系如何形成和演化，并与宇宙中许多时期的观测结果相匹配。
- 相对论效应： 如果我们调整引力定律，引力透镜和子弹星团数据等现象仍然有意义。
迄今为止，没有任何修正引力理论能够完全复制“Lambda 冷暗物质”的成功（ΛCDM) 范式，即当前的宇宙学标准模型，其中包括非重子暗物质成分和暗能量（宇宙常数 Λ）。
6. 结论
暗物质可能仅仅是宇宙中所有物质的净引力，而非某种独立而神秘的物质，这种想法耐人寻味。它迎合了我们寻求更简单解释的本能，从而最大限度地减少了对新的、看不见的实体的需求。事实上，这与科学家和哲学家们长期以来对“ 奥卡姆剃刀—不提出不必要的复杂性。
然而，数十年的天体物理和宇宙学观测告诉我们，“缺失质量”问题并非仅仅通过已知物质引力的聚合就能解决。星系的旋转曲线、引力透镜观测、大尺度结构形成、宇宙微波背景测量以及大爆炸核合成的约束都指向一种独立于宇宙的物质形式。 此外 我们所见的重子物质。此外，子弹星系团和类似的观测强烈表明，这种看不见的质量在碰撞中的行为与正常物质不同，这使得人们相信它具有非常弱（如果有的话）的非引力相互作用。
话虽如此，宇宙学是一个不断发展的领域。诸如引力波探测技术的进步、对星系分布和宇宙微波背景的更精确测量等新颖的观测手段，不断完善着我们的理解。虽然根据现有数据得出的最简单结论是暗物质是一种新的非重子物质形式，但开放的好奇心仍然是科学进步的核心。毕竟，最好的理论总是会不断地用新的证据进行检验，并在失效时被改进——或者被取代。
目前，绝大多数证据都表明存在一种真实存在的、物理上不同的暗物质成分。但在提出“如果这只是所有物质的引力呢？”这样的有趣想法时，我们应保持灵活的视角和开放的思维——这在解决宇宙中最持久的谜团时至关重要。
进一步阅读
- 宇宙中的暗物质 作者：Bahcall，NA – 英国皇家学会会刊A，1999年。
- 子弹星团作为反对修改引力的证据 – 多篇观察性论文， e.g.，作者：Clowe 等人
- 测试 MOND 预测 – 关于星系旋转曲线的各种研究（e.g.，作者：Stacy McGaugh 及其合作者）。
- 宇宙学参数的观测 – 数据发布来自 普朗克， 威尔金斯-梅隆大学， 和 宇宙射线 任務。