[비즈한국] 引力無處不在。它是我們最熟悉的力，但同時也是最可疑、最令人難以理解的力。從宏觀角度觀察宇宙，引力僅靠我們已知的物質是無法解釋的。星系邊緣的恆星旋轉速度遠比預期的快，星系團中的星系也是如此。如果以那樣快的速度旋轉，恆星和星系早該四散飛去，但宇宙的結構卻保持得十分穩定。看起來就像是宇宙由比肉眼所見更重的物質、更強的引力凝聚而成。
從亞里士多德開始，到伽利略、牛頓，乃至愛因斯坦，歷史上偉大的物理學家和哲學家們都在挑戰引力的秘密。而直到今天，我們仍未能百分之百徹底理解引力。
這正是現代宇宙學最大爭議所在。長期以來，天文學家為了解釋“比看起來更重的宇宙”，提出了暗物質的概念。暗物質雖然產生引力效應，卻不會發出任何光。它不僅是暗的，既不發光也不吸收光。由於它與光沒有任何相互作用，因此普通的望遠鏡無法觀測到。我們只能透過暗物質填補出的引力效應模糊地感知到它的存在。暗物質就像是一雙無形的手，作為骨架維繫著星系和星系團。
然而，我們至今仍未能查明暗物質究竟是什麼。於是，替代性假說出現了，即“修正牛頓動力學（MOND）”。主張MOND的物理學家們認為，根本沒有必要假設存在看不見的物質。相反，他們做出了更激進的假設：修改引力定律本身即可。他們解釋稱，特別是在引力加速度極弱的地方，即在距離跨度極大的尺度上，引力的運作方式可能與牛頓和愛因斯坦所描述的完全不同。
MOND長期以來被視為一種極具吸引力的替代方案，原因顯而易見。它在解釋星系旋轉曲線方面表現驚人。如果不考慮暗物質，僅憑肉眼可見的重子物質，旋渦星系的邊緣恆星旋轉速度實在太快。MOND認為，與其額外新增暗物質，不如解釋為在引力非常弱的星系邊緣，引力定律的運作方式發生了改變。
引力會隨著距離的增加而按平方反比減弱。距離增加兩倍，引力減弱為四分之一；距離增加三倍，引力減弱為九分之一。若將距離設為r，引力的強度大約與1/r²成正比。這裡的距離指數“2”至關重要。MOND認為，這個數字可能不是2。比如如果是1會怎樣？那麼引力隨著距離增加而減弱的速度會慢得多。這樣一來，即使是距離極遠的天體，也能在超出預期的強引力下被束縛住。這正是MOND解釋快速移動的恆星和星系運動而不依賴暗物質的方式。
事實真的如此嗎？在跨越千萬甚至億光年的巨大尺度上，引力減弱的速度真的比1/r²更緩慢嗎？為了尋找答案，僅僅觀察一個星系是不夠的。我們需要在比星系旋轉曲線更大的尺度上，即針對宇宙整體來衡量引力的運作方式。我們有一種最好的工具：宇宙中最古老的光，即從最遠處飛來的光——宇宙微波背景輻射（CMB）。
最近，天文學家利用位於智利阿塔卡馬沙漠的宇宙學望遠鏡（ACT），耗時多年繪製完成了覆蓋全宇宙的宇宙微波背景輻射圖，併發布了多項分析結果。其中就包含了一項對MOND在宇宙尺度上的可能性進行嚴密分析的驚人結論。那麼，結果究竟如何呢？
宇宙微波背景輻射是來自宇宙邊緣的遠古之光。光在傳播過程中會穿過各種星系團。星系團內部充滿熾熱且高速運動的電子。宇宙微波背景輻射的光子在與星系團內的自由電子碰撞時，會產生散射效應。
此時，根據星系團相對於我們的運動方向，散射的形態會有所不同。如果星系團以宇宙微波背景輻射為參照，正在向我們靠近或遠離，其內部的電子也會隨之運動。那麼，被電子散射的宇宙微波背景輻射光子中，就會混合進反映星系團運動的極其細微的“多普勒效應”。結果，穿過正向我們靠近的星系團的背景輻射光看起來會稍微變熱（藍移），而穿過正在遠離的星系團的光則看起來會更冷（紅移）。這種效應被稱為“運動學蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應（Kinematic SZ effect）”。
當然，該訊號極其微弱，如果僅考慮單個星系團，它基本上會被背景噪音淹沒。但如果收集全宇宙數十萬個星系和星系團並進行統計分析，就能得知這些星系團相對於我們平均是如何運動的。試想宇宙中的兩個星系團，它們並非完全隨機運動，而是會因彼此的引力而相互吸引，有趨於接近的傾向。該速度中包含了關於引力如何運作的關鍵線索。
天文學家基於ACT獲取的最前沿宇宙微波背景輻射資料，結合了多年積累的斯隆數字巡天（SDSS）龐大的星系圖譜資料。此次使用的星系紅移值在0.44到0.66之間。這個範圍很重要，因為在該區間內，星系的空間分佈不會發生劇烈變化。因此，可以排除宇宙大尺度結構隨時間演變的影響，純粹且清晰地分析出引力隨距離減弱的程度。
此次分析使用的兩個星系團之間的平均距離約為30~230 Mpc（百萬秒差距）。考慮到直徑10萬光年的銀河系直徑僅為0.03 Mpc，這項研究並非測試單個星系內的引力，而是在輕鬆跨越單個星系的宇宙學尺度上對引力進行了測試。那麼，透過大規模巡天確認的隨距離增加而減弱的引力指數是多少呢？結果約為2.1±0.3。基於標準牛頓定律及愛因斯坦廣義相對論的現代ΛCDM宇宙模型中，該值應為2；而若假設最簡單的MOND模型，該值應為1。
然而，實際觀測結果接近2。這顯然不是1。MOND似乎在整個宇宙尺度上完全無法運作。當然，僅憑這一發現，堅信MOND的物理學家們可能還不會完全死心。MOND中還包含許多複雜因素，如周圍其他星系和星系團的引力效應，即“外部場效應（External Field Effect, EFE）”。即使某個天體自身處於弱引力場中，如果背景中存在更大的外部引力場，也會對該天體的運動產生影響。不過，此次研究尚未系統性地分析EFE。
但不可否認的是，這項研究在長達數十、數百Mpc的宇宙學尺度上測試了引力。因此，無論如何考量外部場效應，似乎都很難對這一結果進行強有力的反駁。
參考資料
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