要解释暗物质，重力一定很奇怪

暗物质是一种看不见的东西，其重力被认为可以将星系保持在一起，可能是物理学中最不令人满意的概念。但是，如果要摆脱它，一项新的研究发现，您需要用更奇怪的东西代替它：重力会在一定距离处将巨大物体拉在一起，而在其他距离处会将它们推开分开。分析强调了解释暗物质的难度。

卡内基梅隆大学的理论物理学家斯科特·多德尔森（Scott Dodelson）表示，认识到这种引力理论“太复杂了，似乎不可能有人提出可行的方案。”他并未参与这项新工作。尽管如此，一些理论家还是说有可能通过测试。

根据宇宙学家的流行理论，暗物质几乎遍及每个星系，提供了额外的引力，以防止天文学家看到星系旋转的速度使恒星旋入太空。巨大的团块和股线充当了宇宙发展的脚手架。然而，经过数十年的尝试，物理学家还没有发现周围漂浮着暗物质的粒子，如果这个想法行之有效，许多人会高兴地拒绝这个想法。

一些科学家试图消除暗物质的习惯。 1983年，以色列物理学家米尔德海·米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）发现，他可以通过修改艾萨克·牛顿著名的第二运动定律：力等于质量乘以加速度，来解释绕星系外围旋转的恒星的高速运动。这种见解表明，至少在单个星系的尺度上，通过改变引力定律可以消除对暗物质的需求。但是，理论家们努力了数十年，才将其转变为一个与阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论类似的连贯的引力理论，为此，他们不得不增加新的领域，即通常引力场的表亲。

但是，要消除暗物质，理论家还需要解释它在更大的宇宙学尺度上的影响。 NASA喷气推进实验室的宇宙学家Kris Pardo和普林斯顿大学的宇宙学家David Spergel认为，这要困难得多。为了说明这一点，他们通过测量大爆炸的余辉（宇宙微波背景（CMB）），将早期宇宙中普通物质的分布与当今星系的分布进行了比较。

宇宙的进化是一个由两种流体组成的故事：暗物质与光不相互作用，而普通物质则与光发生相互作用。大爆炸在暗物质上留下了涟漪，暗物质在自身的引力作用下开始聚结到较稠密的斑点中。普通物质，然后是自由飞行的质子和电子的热汤，也开始掉入暗物质团块中。但是，这些带电粒子本身会产生辐射，将其推回，从而产生称为重子声振荡的声波。海浪继续传播，直到宇宙大爆炸后CMB诞生38万年后，宇宙冷却到足以形成中性原子为止。声波在CMB上留下了印记，在银河系的分布中也隐隐留下了印记。

还是可以仅通过改变引力相互作用的普通物质来解释这种演化？为了探索这种可能性，Pardo和Spergel推导了一个数学函数，该函数描述了从CMB揭示的普通物质分布到星系的当前分布，重力将如何工作。他们发现了一个惊人的发现：该功能必须在正值和负值之间摆动，这意味着重力在某些长度尺度上是有吸引力的，而在其他长度尺度上则是排斥的，Pardo和Spergel在本周的《物理评论快报》中报道。 “那真是太奇怪了，”帕尔多说。

帕尔多说，需要一个奇怪的行为来解释较大的重子声振荡是如何随着宇宙时间而消退的，而较小的星系却出现了。就像米尔格罗姆对单个星系所做的一样，新研究表明，没有暗物质，重力将如何改变以解释宇宙的大规模结构。他说，但是这种改变必须是彻底的。他说：“他们证明，要做到这一点，您必须跳过这13个方面。”

但是，理论家似乎已经准备好克服这些困难。在6月发布给预印服务器arXiv的一篇论文中，捷克科学院的理论宇宙学家Constantinos Skordis和TomZłosnik提出了一种暗物质-修正重力理论，他们称CMB数据为吉布斯。为此，研究人员在诸如广义相对论之类的理论中增加了一个额外的可调场，称为标量场。它具有能量，并且通过爱因斯坦对质量和能量的等效，它的行为就像质量的一种形式。在大空间尺度上正确设置事物时，标量场仅与自身相互作用并且像暗物质一样起作用。

研究小组尚未明确表明该理论（并非是重力的基本理论）通过了Pardo和Spergel的特殊测试。但是，由于它的设计是为了模仿暗物质，所以应该这样做。 “我们将其设计为具有这种行为。”

帕尔多说，Skordis和Złosnik的论文“非常令人兴奋”。但他指出，从某种意义上说，它只是用一种精心调整的标量场代替了一个神秘的事物-暗物质-。鉴于复杂性，帕尔多说：“暗物质是一种更容易的解释。”

*更正，11月20日，下午1:30：这个故事的早期版本错失了Kris Pardo的从属关系。