[비즈한국] 引力无处不在。它是我们最熟悉的力，但同时也是最可疑、最令人难以理解的力。从宏观角度观察宇宙，引力仅靠我们已知的物质是无法解释的。星系边缘的恒星旋转速度远比预期的快，星系团中的星系也是如此。如果以那样快的速度旋转，恒星和星系早该四散飞去，但宇宙的结构却保持得十分稳定。看起来就像是宇宙由比肉眼所见更重的物质、更强的引力凝聚而成。
从亚里士多德开始，到伽利略、牛顿，乃至爱因斯坦，历史上伟大的物理学家和哲学家们都在挑战引力的秘密。而直到今天，我们仍未能百分之百彻底理解引力。
这正是现代宇宙学最大争议所在。长期以来，天文学家为了解释“比看起来更重的宇宙”，提出了暗物质的概念。暗物质虽然产生引力效应，却不会发出任何光。它不仅是暗的，既不发光也不吸收光。由于它与光没有任何相互作用，因此普通的望远镜无法观测到。我们只能通过暗物质填补出的引力效应模糊地感知到它的存在。暗物质就像是一双无形的手，作为骨架维系着星系和星系团。
然而，我们至今仍未能查明暗物质究竟是什么。于是，替代性假说出现了，即“修正牛顿动力学（MOND）”。主张MOND的物理学家们认为，根本没有必要假设存在看不见的物质。相反，他们做出了更激进的假设：修改引力定律本身即可。他们解释称，特别是在引力加速度极弱的地方，即在距离跨度极大的尺度上，引力的运作方式可能与牛顿和爱因斯坦所描述的完全不同。
MOND长期以来被视为一种极具吸引力的替代方案，原因显而易见。它在解释星系旋转曲线方面表现惊人。如果不考虑暗物质，仅凭肉眼可见的重子物质，旋涡星系的边缘恒星旋转速度实在太快。MOND认为，与其额外添加暗物质，不如解释为在引力非常弱的星系边缘，引力定律的运作方式发生了改变。
引力会随着距离的增加而按平方反比减弱。距离增加两倍，引力减弱为四分之一；距离增加三倍，引力减弱为九分之一。若将距离设为r，引力的强度大约与1/r²成正比。这里的距离指数“2”至关重要。MOND认为，这个数字可能不是2。比如如果是1会怎样？那么引力随着距离增加而减弱的速度会慢得多。这样一来，即使是距离极远的天体，也能在超出预期的强引力下被束缚住。这正是MOND解释快速移动的恒星和星系运动而不依赖暗物质的方式。
事实真的如此吗？在跨越千万甚至亿光年的巨大尺度上，引力减弱的速度真的比1/r²更缓慢吗？为了寻找答案，仅仅观察一个星系是不够的。我们需要在比星系旋转曲线更大的尺度上，即针对宇宙整体来衡量引力的运作方式。我们有一种最好的工具：宇宙中最古老的光，即从最远处飞来的光——宇宙微波背景辐射（CMB）。
最近，天文学家利用位于智利阿塔卡马沙漠的宇宙学望远镜（ACT），耗时多年绘制完成了覆盖全宇宙的宇宙微波背景辐射图，并发布了多项分析结果。其中就包含了一项对MOND在宇宙尺度上的可能性进行严密分析的惊人结论。那么，结果究竟如何呢？
宇宙微波背景辐射是来自宇宙边缘的远古之光。光在传播过程中会穿过各种星系团。星系团内部充满炽热且高速运动的电子。宇宙微波背景辐射的光子在与星系团内的自由电子碰撞时，会产生散射效应。
此时，根据星系团相对于我们的运动方向，散射的形态会有所不同。如果星系团以宇宙微波背景辐射为参照，正在向我们靠近或远离，其内部的电子也会随之运动。那么，被电子散射的宇宙微波背景辐射光子中，就会混合进反映星系团运动的极其细微的“多普勒效应”。结果，穿过正向我们靠近的星系团的背景辐射光看起来会稍微变热（蓝移），而穿过正在远离的星系团的光则看起来会更冷（红移）。这种效应被称为“运动学苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应（Kinematic SZ effect）”。
当然，该信号极其微弱，如果仅考虑单个星系团，它基本上会被背景噪音淹没。但如果收集全宇宙数十万个星系和星系团并进行统计分析，就能得知这些星系团相对于我们平均是如何运动的。试想宇宙中的两个星系团，它们并非完全随机运动，而是会因彼此的引力而相互吸引，有趋于接近的倾向。该速度中包含了关于引力如何运作的关键线索。
天文学家基于ACT获取的最前沿宇宙微波背景辐射数据，结合了多年积累的斯隆数字巡天（SDSS）庞大的星系图谱数据。此次使用的星系红移值在0.44到0.66之间。这个范围很重要，因为在该区间内，星系的空间分布不会发生剧烈变化。因此，可以排除宇宙大尺度结构随时间演变的影响，纯粹且清晰地分析出引力随距离减弱的程度。
此次分析使用的两个星系团之间的平均距离约为30~230 Mpc（百万秒差距）。考虑到直径10万光年的银河系直径仅为0.03 Mpc，这项研究并非测试单个星系内的引力，而是在轻松跨越单个星系的宇宙学尺度上对引力进行了测试。那么，通过大规模巡天确认的随距离增加而减弱的引力指数是多少呢？结果约为2.1±0.3。基于标准牛顿定律及爱因斯坦广义相对论的现代ΛCDM宇宙模型中，该值应为2；而若假设最简单的MOND模型，该值应为1。
然而，实际观测结果接近2。这显然不是1。MOND似乎在整个宇宙尺度上完全无法运作。当然，仅凭这一发现，坚信MOND的物理学家们可能还不会完全死心。MOND中还包含许多复杂因素，如周围其他星系和星系团的引力效应，即“外部场效应（External Field Effect, EFE）”。即使某个天体自身处于弱引力场中，如果背景中存在更大的外部引力场，也会对该天体的运动产生影响。不过，此次研究尚未系统性地分析EFE。
但不可否认的是，这项研究在长达数十、数百Mpc的宇宙学尺度上测试了引力。因此，无论如何考量外部场效应，似乎都很难对这一结果进行强有力的反驳。
参考资料
https://www.science.org/content/article/newton-s-law-gravity-passes-its-biggest-test-ever
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/061
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/062