我们的问题是否有可能谈到引力理论的缺陷？

我很快就确信，所有理论化只是大脑的一个空洞的锻炼，因此是浪费时间，除非首先您弄清楚宇宙真正充满了什么。
- 弗里茨·兹维克（Fritz Zwicky）

在周末结束时，我在您的来信中泛滥成灾，提出建议。本周，我最喜欢这封信，其中包含瑞安·舒尔茨（Ryan Schulz）的其他学习机会，他问道：

最新一期的《发现杂志》（Discover Magazine）刊登了一篇长篇文章，内容涉及MOND的基本理论及其预测能力如何出色发挥，而且还没有人发现暗物质。我想知道MOND是什么，这是可以接受的理论吗？如果它是如此成功，为什么我们都听说过暗物质而不是MOND？

要了解它的含义，您需要进入十九世纪，讨论MOND试图解决的“质量缺失”（或“光缺失”）问题之前存在的问题：天王星和水星问题。

牛顿在十七世纪制定的万有引力定律非常成功地描述了一切，无论应用了什么。从飞壳的运动到滚动的物体，从物体的重量到摆锤，从船的浮力到月球绕地球的轨道，牛顿的引力理论失败了。

开普勒的三个定律，即牛顿引力的特例，被应用到所有已知的行星上：

1.太阳系的每个行星都画成一个椭圆形，其中椭圆是太阳的焦点之一。
2.每个行星都在穿过太阳中心的平面内移动，并且在相等的时间段内，连接太阳和行星的半径向量描述了相等的面积。
3.行星绕太阳公转周期的平方称为行星轨道半长轴的立方。

所有已知世界都遵守这些定律，数百年来没有发现任何偏差。但是随着1781年天王星的发现，一切都改变了。新行星绕太阳绕椭圆形运动，但是它的速度与重力定律的预测不符。

被发现后的前20年，她的移动速度快于预期。在接下来的20-25年中，其速度相当于所计算的速度。然后，速度进一步降低，速度降到计算出的速度以下。

引力定律错了吗？可能吧但是也许还有一些物质，某种类型的不可见或黑暗物质，将天王星拉向了轨道并导致了这些偏离。

原来是这样。在理论家对Urbain，Jean Joseph Leverrier和John Kuch Adams进行的战争之后，他们对新行星的位置进行了独立的预测。1846年9月23日，Johann Gottfried Galle及其助手Heinrich Louis D'Arre证实了Leverrier的计算。海王星被发现，这是第一个通过其质量的引力作用预测其存在的天体。

另一方面，由于数百年来积累的观测仪器和测量精度的提高，最里面的行星水星开始显示出与重力定律的奇怪偏离。开普勒（Kepler）预测，行星应该以理想的椭圆形围绕太阳运动，并以太阳为焦点，但前提是不存在影响和干扰该系统的其他质量。但是还有其他质量，水星不会沿着理想的封闭椭圆运动。椭圆构成进动。

利用牛顿的万有引力定律，我们可以考虑包括海王星在内的所有行星的影响以及地球春分的进动。之后，我们发现观测值和预测值之间只有很小的差异-百年43的岁差，或百年0.012°的岁差。但这并不是偶然的。

那怎么了是否还有未知的质量，可能在水星内部？还是引力定律中的问题？对于理论上更靠近太阳的瓦肯人进行了令人费解的搜索。但是没有火山。该决定于1915年提出，当时爱因斯坦提出了他的广义相对论。

快进到1970年代，看看维拉·鲁宾（Vera Rubin）的首次观察。我们观察单个星系-尤其是位于我们边缘的星系-并测量它们的速度。我们看着银河系的一侧，看到它向我们移动（蓝移），然后我们看着另一侧，它又向我们移动（红移），这全都归功于银河系的旋转。我们期望发现银河系的内部恒星旋转得更快，并且旋转速度随着距中心距离的增加而减小。但是我们看到了完全不同的事情。

取而代之的是，当银河系偏离
中心位置时，其旋转速度保持恒定。为什么这样有两种可能性：要么需要修正万有引力定律，要么我们必须假设存在另外一个看不见的质量。

MOND或MOND-改进的牛顿动力学最早于1981年由Moti Milgrom提出，他决定，如果我们以很小的加速度（以每秒纳米的几分之一平方的速度来改变牛顿定律的影响），我们就可以精确地获得这些旋转曲线。相同的变化可以解释星系从小到大的旋转。 MOND仍然可以很好地解决这一问题。

另一方面，暗物质表明，除了标准模型的普通粒子外，来自“质子，中子和电子”的所有正常物质（几乎我们所知道的所有物质）都是新型物质。为了解释这种旋转现象，提出了一个大的物质光环，它不与光相互作用，不与自身成簇，也不与普通物质相互作用。这就是暗物质的想法。

她可以解释这些旋转曲线，但不能解释MOND。从最简单的暗物质模型获得的光环的数值模拟与观察结果并不完全一致：光环在中心过于密集，在边缘过于“蓬松”。（从技术上讲，它们比预期的更恒温）。如果我们只有这些旋转曲线，那么MOND将是一个明确的领导者。

但是我们有一个整个宇宙。

如果您提出替代GR的新理论，从而代替牛顿重力，则需要遵守以下三个条件：
1.必须重现先前理论的所有成功。
2.它必须说明为其开发的新现象。
3.她必须做出新的，独特的预测，可以通过实验或观察来验证。

在以前的理论中有很多成功。

具有质量的星光引力透镜，包括强透镜和弱透镜。夏皮罗效应。引力时间膨胀和红移。与“大爆炸”和不断扩展的宇宙概念相关的平台。星系在星团和星团中的运动是大规模的。

在所有这些情况下，MOND都会有效地失败，或者不进行预测，也不进行与数据冲突的预测。如果您说MOND并不是一个完整的理论，而是对可能导致一个完整理论的一种现象的描述，那么请继续期待。许多人正在研究MOND的扩展，这将解释这些观察结果，但是到目前为止，包括TeVeS（张量矢量标量重力），MoG（修正重力）等理论并没有取得太大的成功。

但是，如果您离开了爱因斯坦的引力定律，而只是添加了一种新的成分，即冷物质和暗物质，而没有发生碰撞，则可以解释所有内容，包括新的有趣的细节。

可以解释CMB的波动，包括没有某种形式的暗物质就不可能存在的“声峰”。

如果我们假设暗物质比平常多五倍，则可以解释在宇宙的大型结构中可见的星团的性质，包括顶部的大曲线及其波动。

并且，最有趣的是，可以做出一个新的预测：在两个星系团的碰撞中，内部气体应变暖，减速并发出X射线辐射（上方为粉红色），并且通过引力透镜可见的质量（蓝色）应跟随暗物质并与X射线分开射线。这一预测是根据观察得出的，并持续了十年，作为暗物质存在的间接证据。

因此，瑞恩·蒙德（Ryan，MOND）的表现并没有超过暗物质：它仍然比暗物质更好地解释了星系的旋转曲线。但这还不是物理理论，它与我们所拥有的全部观测结果都不相容。我们听说过暗物质，因为它能够给我们整个宇宙而不会产生矛盾。 MOND可能是建立更完整的引力理论的关键，许多人希望有朝一日能从最暗的物质中推断出MOND的现象学-这是一个宏伟的目标！

但是现在MOND并没有从宇宙学上应对，这使其比暗物质的可取性要差得多。她有自己的追随者，应该得到一份工作，但是到目前为止，这不是一个合适的选择。但要制作其版本，该版本：

1.重现GR的所有成功，
2.解释一系列新现象，
3.做出新的可预测的预测，

我会像其他正确的科学家一样唱不同的歌。

询问伊桑94号：《暗物质完成了吗？

我们的问题是否有可能谈到引力理论的缺陷？

More articles: