暗物質與暗能量

修正牛頓動力學

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面對自轉得太快的星系,要把帳做平有兩種辦法。一種是加上看不見的質量——暗物質。另一種更大膽:也許根本沒有缺失的物質,只是在重力極弱的地方,我們的重力定律本身就錯了。MOND,即「修正牛頓動力學」的縮寫,走的是第二條路。它由莫迪凱·米爾格羅姆於 1983 年提出,對牛頓定律稍作改動,使得在某個極小的加速度閾值之下,重力比教科書公式所說的衰減得更平緩。

這個想法出奇地省儉。只用一個新常數——約 10^-10 米每二次方秒的臨界加速度,柔和得不可思議——MOND 就能再現極其廣泛的螺旋星系的平坦自轉曲線,而且直接從可見物質得出,不必添加任何暗暈。它甚至乾淨俐落地預言了緊緻的塔利-費舍爾關係(把星系亮度與自轉速度聯繫起來)。對單個星系而言,MOND 常常以匪夷所思的成功擬合資料,有時比那些需要為每個星系調一個暈的暗物質模型還好。

那為什麼多數宇宙學家仍傾向暗物質?因為 MOND 對單個星系雖優雅,對更大的圖景卻力不從心。它無法自然地解釋星系團的質量(在那裡它仍需要一些看不見的物質),它在宇宙微波背景漲落的精細圖案和大尺度結構的增長上有困難,而子彈星系團——質量與可見物質明顯分離之處——對一個把重力綁在可見物質所在處的理論來說很棘手。MOND 的相對論版本存在,但很複雜。最公允的總結是:MOND 抓住了星系中一種真實而引人注目的規律,暗物質模型也必須解釋它,但作為一套完整的宇宙理論,它目前還遜於 Lambda-CDM。

MOND 預言,在約 1.2×10^-10 米每二次方秒的加速度之下,重力隨距離減弱得更慢。把這條規則用到螺旋星系上,僅憑我們看得見的恆星和氣體,就能把預言的自轉曲線壓平、與觀測相符——無需任何暗物質暈。

MOND 用一個新常數就擬合了星系自轉曲線——卻在星系團和宇宙微波背景上栽了跟頭。

MOND 是一個嚴肅、可證偽的提案,並非民科——它在星系尺度上的成功是真實的。但「多數宇宙學家偏好暗物質」是一種基於證據權衡的判斷,而非教條:暗物質能同時解釋星系團、宇宙微波背景和結構增長,而 MOND 迄今做不到。

又稱
Modified Newtonian Dynamicsmodified gravityMOND(修正牛頓動力學)