柯伊伯帶的小天體以橢圓形軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，一些科學(xué)家認(rèn)為，這是由于太陽(yáng)系中一個(gè)尚未被觀測(cè)到的“第九行星”導(dǎo)致的。但若使用修正牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）來(lái)解釋這些小天體的運(yùn)動(dòng)軌跡，那么“第九行星”或許就不存在。圖為柯伊伯帶內(nèi)小天體示意圖。

　　行星、恒星和星系的運(yùn)動(dòng)軌跡讓無(wú)數(shù)人著迷。此前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，柯伊伯帶的小天體以橢圓形軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，似乎是被引力拉向了同一個(gè)方向。因此，科學(xué)家假設(shè)在這個(gè)方向上存在著這樣一個(gè)天體，其質(zhì)量是地球的5到10倍，這就是撲朔迷離的“第九行星”。近些年，科學(xué)家都在努力尋找這個(gè)“第九行星”，但截至目前，科學(xué)家還沒(méi)有通過(guò)光學(xué)、紅外或電磁波頻譜等任何一種方式觀測(cè)到過(guò)“第九行星”。

　　近期，發(fā)表于《天文學(xué)雜志》的一篇文章為“第九行星”為何如此難覓蹤跡找到了一個(gè)可能的原因——如果使用修正牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）來(lái)解釋上述現(xiàn)象，那么“第九行星”或許就不存在。

　　那么，什么是MOND？MOND和傳統(tǒng)引力理論是什么關(guān)系？針對(duì)上述問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專家。

　　傳統(tǒng)引力理論歷經(jīng)多次修正仍面臨局限

　　要了解什么是MOND，首先必須追根溯源，了解其“修正”的對(duì)象——引力理論的前世今生。

　　1687年，牛頓提出萬(wàn)有引力定律。他認(rèn)為，任何有質(zhì)量的物體之間都有相互吸引的力，即萬(wàn)有引力。這一理論被視為物理學(xué)的基石，為解釋天體運(yùn)動(dòng)和地球上的現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。然而，隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，很多現(xiàn)象用萬(wàn)有引力定律無(wú)法解釋。因此，科學(xué)家們需要尋找一種能將萬(wàn)有引力定律及其無(wú)法解釋的現(xiàn)象都囊括在內(nèi)的更為完善的理論。

　　20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，這一理論首次把引力場(chǎng)等效成時(shí)空的彎曲，修正了牛頓的萬(wàn)有引力定律，被認(rèn)為是一種更為完善的引力理論。但即便引入了廣義相對(duì)論，一些天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律仍不能被完全解釋。

　　為了進(jìn)一步解釋廣義相對(duì)論無(wú)法解釋的現(xiàn)象，暗物質(zhì)假設(shè)于1933年被提出。瑞士裔美國(guó)籍物理學(xué)家弗里茨·茲威基在研究星系團(tuán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些星系圍繞星團(tuán)中心旋轉(zhuǎn)的速度快得令人吃驚。南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授何建華介紹，在當(dāng)時(shí)，即使在觀測(cè)誤差所允許的范圍內(nèi)進(jìn)行最大限度的估計(jì)，也無(wú)法解釋為何這些星系的運(yùn)動(dòng)速度如此之快。因此，弗里茨認(rèn)為，星團(tuán)中必須引入一種新的不為人知的物質(zhì)，來(lái)解釋這種觀測(cè)與理論不一致的狀況。他將這種新物質(zhì)稱為暗物質(zhì)——一種因不發(fā)光而不能被我們看到的物質(zhì)。

　　自此，關(guān)注天體和星系詭異的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及尋找看不見、摸不著的暗物質(zhì)，成為了宇宙學(xué)探索研究的主流工作之一。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究員平勁松對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者介紹，2016年，天文學(xué)家提出“第九行星”時(shí)，就曾認(rèn)為它可能是由暗物質(zhì)構(gòu)成的。

　　然而，暗物質(zhì)假設(shè)也不是完美無(wú)缺。如果要以暗物質(zhì)來(lái)解釋引力理論不適用的觀測(cè)現(xiàn)象，就必須引入數(shù)量巨大的暗物質(zhì)�！耙�入的暗物質(zhì)的質(zhì)量占比，達(dá)到了可見物質(zhì)的約5倍之多�！逼絼潘杀硎�。

　　不引入暗物質(zhì)也能解釋星系的詭異運(yùn)動(dòng)

　　“越來(lái)越多的其他方面的天文觀測(cè)也開始支持暗物質(zhì)的存在。例如，通過(guò)微波背景輻射觀測(cè)，人們發(fā)現(xiàn)宇宙早期溫度存在微小漲落�！焙谓ㄈA說(shuō)。因此，雖然對(duì)暗物質(zhì)是否存在這一問(wèn)題有過(guò)許多爭(zhēng)論，但到了20世紀(jì)80年代初，大部分天文學(xué)家還是接受了宇宙中存在大量暗物質(zhì)的觀念。

　　當(dāng)然，對(duì)于天體和星系的詭異運(yùn)動(dòng)，也有一小部分科學(xué)家提出了新的看法。以色列物理學(xué)家密爾格羅姆認(rèn)為，也許暗物質(zhì)并不存在。為了解釋廣義相對(duì)論無(wú)法解釋的現(xiàn)象，應(yīng)該從數(shù)學(xué)上對(duì)熟知的萬(wàn)有引力定律加以修改。“比如，當(dāng)動(dòng)力學(xué)加速度遠(yuǎn)小于某一個(gè)參考加速度參數(shù)時(shí)，對(duì)牛頓動(dòng)力學(xué)加入一個(gè)修正因子，就可以把星系的詭異運(yùn)動(dòng)變得平淡無(wú)奇。這就是MOND的來(lái)源�！逼絼潘烧f(shuō)。

　　他舉例道，在經(jīng)典引力理論下，人們通常認(rèn)為，距離星系中心越遠(yuǎn)的地方受到的引力越小，旋轉(zhuǎn)速度越慢。但是，實(shí)際觀測(cè)到的星系旋轉(zhuǎn)曲線大多趨于一個(gè)常數(shù)，而現(xiàn)有引力理論并不足以支持觀測(cè)到的星系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。MOND則針對(duì)這種運(yùn)動(dòng)引入一個(gè)大小約為0.1納米每平方秒的加速度參數(shù)，以解釋一些觀測(cè)現(xiàn)象與經(jīng)典理論的不一致。

　　MOND適用性尚需進(jìn)一步研究證實(shí)

　　雖然MOND通常被用來(lái)解釋大范圍的星系現(xiàn)象，但一些科學(xué)家認(rèn)為，其在太陽(yáng)系的外圍也適用。基于此，他們進(jìn)行了觀測(cè)和分析。

　　“MOND是一種無(wú)暗物質(zhì)理論，它最初是為了不訴諸暗物質(zhì)而去解釋包括星系驚人的高速旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。”平勁松進(jìn)一步介紹，一些科學(xué)家借助該理論對(duì)柯伊伯帶中小天體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，即使不存在一個(gè)額外的大行星，這些小天體奇怪的軌道模式也能被完美地解釋。

　　當(dāng)然，對(duì)于這些科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，也有學(xué)者提出不同意見。一些學(xué)者認(rèn)為，這些科學(xué)家的研究存在巧合；還有一些學(xué)者認(rèn)為，這些科學(xué)家的研究說(shuō)服力不夠強(qiáng)。

　　反對(duì)意見的出現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上反映了暗物質(zhì)假說(shuō)學(xué)派與修正理論學(xué)派之爭(zhēng)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷曾指出，一個(gè)好的科學(xué)理論必須自洽，物理學(xué)理論必須能對(duì)物體在各種情況下的運(yùn)動(dòng)給出預(yù)測(cè)和解釋。而對(duì)于MOND來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@個(gè)理論是基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，而不是來(lái)自第一性原理。一旦問(wèn)題超出原來(lái)的范圍，就不好運(yùn)用MOND回答。

　　平勁松表示，雖然MOND目前仍然不是宇宙學(xué)方向的主流，但不失為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的、值得研究者們付諸精力繼續(xù)研究的選擇。

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　　我國(guó)多個(gè)在研望遠(yuǎn)鏡

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　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究員平勁松表示，我國(guó)正在研制的多個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，都有望為修正牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）的探索作出貢獻(xiàn)�！拔覈�(guó)正在研制的巡天太空望遠(yuǎn)鏡（CSST）以及清華大學(xué)、北京大學(xué)等立項(xiàng)研制的多項(xiàng)6米及以上口徑的中型地基天文望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)靈敏度，有望較當(dāng)下的望遠(yuǎn)鏡提升10倍以上�！逼絼潘烧f(shuō)。

　　記者了解到，這些望遠(yuǎn)鏡將助力科學(xué)家在可見暗弱天體和MOND等方向開展探索。特別是與MOND有關(guān)的星系團(tuán)、銀河系外緣旋臂、太陽(yáng)系邊緣等研究項(xiàng)目預(yù)期會(huì)獲得更豐富的新觀測(cè)結(jié)果。這些結(jié)果有望為MOND的確認(rèn)和實(shí)證提供支持。（吳葉凡）