引力測試結(jié)果出爐，牛頓萬有引力定律在8億光年尺度屹立不倒！

宇宙尺度上的引力測試結(jié)果出爐，平方反比定律屹立不倒，暗物質(zhì)地位進(jìn)一步鞏固。一個(gè)跨越數(shù)億光年的實(shí)驗(yàn)，給出了一個(gè)幾乎令所有人都意料之中、卻又意義深遠(yuǎn)的答案：牛頓的引力定律，依然成立。

這項(xiàng)由賓夕法尼亞大學(xué)宇宙學(xué)家帕特里西奧·加拉多（Patricio Gallardo）領(lǐng)銜、發(fā)表于《物理評論快報(bào)》的研究，動(dòng)用了迄今最大尺度的宇宙引力測量手段，對數(shù)十萬個(gè)星系團(tuán)之間的引力行為進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果顯示，在8000萬至8億光年的距離范圍內(nèi)，引力仍然嚴(yán)格遵循距離平方反比關(guān)系，指數(shù)測定值為2.1，誤差正負(fù)0.3。

這是牛頓1687年寫下那個(gè)公式以來，它所經(jīng)歷的最嚴(yán)苛、也是尺度最大的一次考驗(yàn)。

物理學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)了一件讓人頭疼的事：宇宙的運(yùn)行軌跡和賬面對不上。

在星系中，距離核心較遠(yuǎn)的恒星理應(yīng)運(yùn)動(dòng)得更慢，就像太陽系中遠(yuǎn)離太陽的行星那樣。然而觀測顯示，這些外圍恒星的速度比預(yù)期快得多，星系團(tuán)中的整個(gè)星系也存在同樣的問題——它們運(yùn)動(dòng)的速度，根本無法用肉眼可見的物質(zhì)質(zhì)量來解釋。

"當(dāng)我們看星系內(nèi)的恒星或星系團(tuán)中的星系如何運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們的速度遠(yuǎn)超可見物質(zhì)所能提供的引力，"加拉多說。"這本宇宙賬，一直差得很遠(yuǎn)。"

面對這道缺口，科學(xué)界分成了兩個(gè)陣營：一派認(rèn)為宇宙中存在大量看不見的"暗物質(zhì)"，其引力填補(bǔ)了這個(gè)空白；另一派則主張，是引力定律本身出了問題，需要修正，其中最具代表性的理論是20世紀(jì)80年代提出的"修正牛頓動(dòng)力學(xué)"（MOND）。MOND并不引入暗物質(zhì)，而是在極低加速度下調(diào)整牛頓第二定律的形式。如果MOND是正確的，引力在大尺度上的衰減方式將與平方反比定律出現(xiàn)偏差。

這一次，研究團(tuán)隊(duì)用數(shù)據(jù)給出了判決。

大爆炸發(fā)生約38萬年后，宇宙釋放出一批光子，至今仍以微波的形式彌漫在宇宙各處，這就是"宇宙微波背景輻射"（CMB）。當(dāng)這些古老的光子穿越星系團(tuán)時(shí)，會(huì)與其中的高能電子發(fā)生碰撞，并根據(jù)星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方向相應(yīng)地獲得或損失能量。這一細(xì)微變化，可以被用來直接測量星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度，精度極高。

智利阿塔卡馬沙漠中、海拔5000米高原上的阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡（ACT）從2007年運(yùn)行至2022年，積累了海量CMB觀測數(shù)據(jù)，正是這項(xiàng)研究的核心數(shù)據(jù)來源。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)結(jié)合了斯隆數(shù)字巡天（SDSS）對數(shù)百萬個(gè)星系空間分布的長期測繪成果，將兩類數(shù)據(jù)疊加，構(gòu)建出一幅引力隨距離變化的精確圖譜。

研究聚焦于距地球56億至77億光年的星系團(tuán)，刻意規(guī)避了宇宙膨脹和暗能量在更大時(shí)間跨度上造成的干擾，使引力信號盡可能純粹、可靠。最終，團(tuán)隊(duì)探測到了低至10飛米每平方秒的加速度，相當(dāng)于地球表面重力加速度的萬億分之一，這一靈敏度令人嘆為觀止。

測量結(jié)果與牛頓、愛因斯坦的理論框架高度吻合，與MOND的預(yù)測則明顯不符。

耶魯大學(xué)天體物理學(xué)家普里亞姆瓦達(dá)·納塔拉詹（Priyamvada Natarajan）指出，這項(xiàng)結(jié)果"本不令人意外，但它切實(shí)削弱了MOND理論的立足空間"。加拉多也坦言，MOND本就難以完整描述宇宙結(jié)構(gòu)的演化，這項(xiàng)新數(shù)據(jù)更讓它雪上加霜。

既然引力在宇宙尺度上表現(xiàn)正常，那么星系和星系團(tuán)中那部分"多余"的引力效應(yīng)，便只能歸結(jié)于某種看不見的物質(zhì)。

"這項(xiàng)研究加強(qiáng)了宇宙中確實(shí)存在暗物質(zhì)成分的證據(jù)，"加拉多說，"但我們依然不知道它究竟是什么。"