本文摘自《新科学家》（New Scientist）的马克·安德森（Mark Anderson）的文章（2017年3月18日至24日）。
出人意料的吸引力
理论上，重力应该是可预测的力。 我们非常了解她，多亏了她，我们才得以牢固地生活在地球上，我们的大气层也没有飞向太空。 如果我们采取更大的规模，那么这种力量就会影响宇宙本身的演化。 有时候引力使我们失败是多么的侮辱。 为了以我们理解的形式解释星系和星系团在重力作用下的螺旋旋转，我们需要提出一种全新的物质形式，即没人亲眼目睹的暗物质。 为了解释宇宙膨胀的加速，我们需要发明一个同样神秘的实体-黑暗能量。
但是，如果我们从不完全了解重力，该怎么办？ 如果重力不在我们视野之外的地方发挥作用，该怎么办？
这么认为实际上是一种异端，尽管这种想法并不新鲜。 但是，近来，有关星系的最新研究和量子信息学领域的出乎意料的结果为我们提供了一种重新思考我们对重力认识的新力量。 出现了新的激进思想，彻底改变了我们关于时空和引力本质的思想。 在新的世界图景中，暗物质无处可寻，暗能量可以抵御重力，而不是部分地产生重力。
艾萨克·牛顿（Isaac Newton）和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）给了我们几乎所有有关重力的知识。 牛顿向我们解释说，吸引力的力与距离的平方成反比，而爱因斯坦则与之相反-引力是由于大型物体的时空弯曲而产生的。
牛顿的万有引力定律指出，在距离银河系中心较远的恒星上，重力要弱于在距离银河系中心较近的恒星上，因此前者的速度较低。 但是，在1970年代，包括维拉·鲁宾（Vera Rubin）在内的天文学家注意到，远离星系中心的恒星的速度并未如预期的那样下降。 相反，速度趋于平稳，这只能由银河周围存在一些看不见的物质并产生额外吸引力来解释。 从那时起，我们一直未能成功找到此问题。
游戏不是按规则进行的
是的，并非所有人都参与了搜索。 在1980年代，当时在普林斯顿大学工作的Mordehai Milgrom表明，无需暗物质的参与，我们就可以解释星系自转速度的奇异之处。 为此，我们只需要放弃这样一种想法，即随着距离的增加，重力总是按照牛顿和爱因斯坦的预测行事。 米尔格罗姆（Milgrom）的理论被称为MOND（改进的牛顿动力学），它表明重力的衰减比牛顿所声称的更为平稳。 一旦由重力引起的物体加速度降到某个值以下，或者变得比地球上的重力加速度弱820亿倍，重力就会突然切换到新模式。
米尔格罗姆通过将其理论应用于旋涡星系取得了一些成功，但是MOND并未得到广泛使用。 首先，在它的帮助下，不可能计算出在没有暗物质的参与或没有对重力理论进行更彻底改变的情况下无法形成适当星团的星系团，除了MOND所允许的之外。 另外，该理论提出的变化似乎太随意了。 为什么引力会在这个看似随意的点突然改变？
而且，由于从未发现暗物质，MOND仍然保持漂浮状态，并且漂浮程度较小。 加拿大滑铁卢周边理论物理研究所的约翰·莫法特说：“有两种可能性，或者我们将找到一个看不见的额外吸引力来源，并确保牛顿和爱因斯坦是对的，否则我们什么也找不到。 在这种情况下，我们将需要改善重力。”
去年，也许终于有了转机。 俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的天文学家Stacy McGaugh和他的同事们用我们的银河系重新审视了150多个皮肤螺旋星系。 当他们将计算出的引力与星系盘的旋转速度进行比较时，他们发现靠近星盘边缘的恒星以异常高的速度旋转。
还有什么呢？ 毕竟，正是我们以前已经反复观察到的这种行为，并且可以通过用暗物质云包围星系来解释。 但是，在统计评估中，McGaw使用了交叉控制。 他带走了所有星系中所有可见的物质，并将该物质在每个点的吸引力与附近恒星的旋转速度进行了比较。 结果，他在银河系的旋转速度与它们所包含的可见物质分布之间获得了令人惊讶的紧密联系。
加拿大周界研究所的理论家李·斯莫林（Lee Smolin）感到震惊。 他说，这种关系“等同于自然法则”。 如果除了可见物质以外的其他因素影响星系，您不会预期会发生这种情况。
更令人惊讶的是，即使暗物质的分布不同，可见物质与恒星运动之间的这种紧密关系仍然存在于各种不同的星系中。 暗物质不应温和地跟随普通物质。 因此，它要么与普通物质相互作用，要么本身比简单模型所预测的要强大，或者重力存在问题。
麦戈的工作并不是迫使我们再次提出这一异端问题的唯一原因。 MOND的最大问题之一是星系团的行为。 就像星系边缘的恒星一样，星团边缘的星系也移动得太快，这一事实可以由暗物质解释。 观察引力透镜效应（大质量物体的引力场会产生轻微的光曲率）表明，赋予星系速度的附加力不在可见物质所在的位置。 没有隐形物质的参与，就不可能解释星系团的行为，至少可以这样认为。
最著名的例子是子弹群（Bullet CLuster 1E 0657-558，标题图像），其名称与子弹将目标撕开的慢动作图像相似。 对于许多暗物质猎人而言，这是他们无休止地猎杀这种野兽并且存在的最好证据。 但是德国波恩大学的帕维尔·克鲁帕却提出了相反的看法-这种高速星际碰撞只能用蒙德理论来解释。
他说：“与子弹击中目标的图像相比，无疑是对大众的笑话。” 克鲁帕声称，在现实的时间范围内，标准引力太弱，无法像我们在子弹群中观察到的那样，导致星系发生如此激烈的激烈碰撞。 碰撞初始阶段的暗物质可以使其达到我们观察到的高速，但已经干扰了所有后续相互作用。 克鲁帕说：“暗物质的光环就像一张网。” “它捕获了路径中的所有星系。” 因此，很难解释即使在碰撞后仍继续高速移动的一对碰撞星系。 “对于标准宇宙学模型来说，这是一个很大的难题，” Krupa说。 “但是重力改变了……就没有这样的问题了。”
MOND的本质是在银河和银河之间的距离处，我们无法直接测量重力，它比我们想象的要强大。 而这，而不是一些看不见的物质，将是为什么物质如此大规模地运动并比牛顿和爱因斯坦所预测的碰撞得更快的最简单的解释。
这并不意味着当涉及星系团之间的相互作用时，MOND理论就没有确定的问题。 在使用望远镜的子弹群中，我们确定了两个不同的地方，其中引力透镜更为明显，这意味着存在更高的质量浓度，这与我们在这些地方观察到的普通物质的数量不一致。
米尔格罗姆坚称，这个问题对他的模型并不构成可怕的威胁，正如许多人认为的那样。 他说：“只有少量未解释的质量可能成为最普通的问题，例如，我们尚未发现的死星或冷气云就足够了。”
但是，尽管观察还没有证实这一点，但其他科学家正在寻找该问题的理论解决方案。 一种这样的解决方案是一种混合模型，其中暗物质的行为类似于狼人-它可以自由穿过星系，产生与MOND理论相符的额外引力，但是在星系团中，其行为就像普通的暗物质。
突然再次流行的另一个选择是修改MOND。 莫法特就是这么做的。 根据他的理解，吸引力在加上排斥力后会发生变化，而排斥力又取决于距离，因此排斥力在很小的距离内服从牛顿的平方反比定律，但在星系的外围却减弱了。 在这样的世界图景中，万有引力比牛顿想象的要强，并且它的表现如MOND所预测。
莫法特声称，他的理论可以解释子弹星系中星系的旋转和异常的速度。 但是他的理论的主要特征是，在黑洞附近，引力甚至比MOND预测的强，这可能使我们有机会检验这一理论。
如果我们可以看到一个黑洞，那么我们会看到一个黑色圆盘，周围是由极强的引力透镜造成的阴影。 2015年，莫法特（Moffat）计算出，根据他的理论，银河系中心超大质量黑洞周围的阴影将比GR预测的阴影大10倍。 然后事件地平线进入现场
望远镜（EHT）-全球射电望远镜网络，计划于今年4月启动，首次能够获得黑洞的详细图像。 至少从理论上讲，我们可以观察到这个shadow肿的阴影，如果它确实存在的话。
但是，无论我们选择哪种方法，无论是传统的MOND理论还是经过修改的莫法特引力，都存在一个不容忽视的巨大问题-根本缺乏基本理论。 为什么引力突然偏离牛顿和爱因斯坦设定的方向，甚至看起来是随机的？ 如果我们从根本上修改对引力本质的理解，就可以得到这个问题的答案。
去年，荷兰阿姆斯特丹大学的埃里克·韦林德（Erik Verlinde）为此提供了新的视角。 他认为，引力不是靠它自身产生的，而是由于纠缠的量子信息之间相互作用的结果。
纠缠是成对的或成对的粒子之间的一种深层次的，同时又深深的自相矛盾的联系，当一个粒子暴露于另一粒子时，即使它们之间相隔很远，也会引起其他粒子的反应。 自1990年代后期以来，物理学家已经学会了如何使用纠缠的量子比特网络获得牛顿和爱因斯坦引力。 问题在于，它仅在理论上称为Anti-de Sitter Space的宇宙中起作用，该宇宙的行为与我们所居住的宇宙不同。
关键区别在于，在我们的宇宙中，真空并没有那么平静。 他正在用暗能量，一种神秘的物质或力量沸腾，据信这是加速时空扩展的原因。
费林德没有尝试解决这个问题，而是研究了由纠缠的量子信息比特之间的相互作用引起的引力在具有暗能量的宇宙中的行为。 结果，他得到了一个新的引力图，其中暗能量使量子位的纠缠产生了额外的弹性。
弗林德说：“事实证明，暗能量是一种弹性介质，如果在其中添加质量，它将使该介质变形。” 他补充说，由暗能量产生的额外弹性会在很长的距离内增强吸引力，最终导致在类似于米尔格罗姆的MOND理论的距离上出现附加效果。
弗林德（Ferlinde）的想法给人留下了深刻的印象，但尚不清楚它们之间的联系如何。 “他从暗能量开始，说它会产生类似于暗物质的东西，”德国法兰克福高等研究院的萨宾·霍森菲尔德说。 “他正在竭尽所能，以使自己的假设与一个大的假设相吻合。近年来，这种大假设广为流行，时空是由纠缠引起的。 但我不确定是否有必要。”
在最近的一项研究中，发现如果我们采用费林德关于重力的观点，我们可以解释在大约30,000个星系附近观察到的引力透镜异常。 但是他的理论因做出与MOND实际不同的预测而受到批评。 例如，在与麦克高（McGaugh）合着的一项科学著作中，他说，弗林德的理论主要与蒙德（MOND）不同，这是对星系异常旋转的一种解释。 此外，他的理论还预测了行星的运动，而这实际上是我们在太阳系中没有观察到的。
就斯莫林而言，他提出了一种更为适度的尝试，即从量子引力原理推导MOND物理学，而且与Ferlinde的理论不同，其结果与MOND理论没有分歧。 他们都没有声称他获得了完整的量子引力理论。 但是有一点很清楚-关于重力为什么在很长的距离上表现如此奇怪的问题，理论家开始接受答案。
麦戈说：“我们不知道最终的理论将把我们引向何方，因为我们还没有把它带到这里。” “因此，在前进之前，我们从混乱和动荡之时就无能为力了。”