最新的研究发现，要解释暗物质的存在，引力必须是非常奇怪的

暗物质是一种不可见的物质，它的引力被认为是星系维系在一起的原因，它可能是物理学中让人最难以理解的概念。但一项新的研究发现，如果想回避暗物质，需要用一种更奇怪的东西来取代它——一种引力，在某种距离下，它把大质量的物体拉在一起，在另一距离下，它又把它们分开。这一分析强调了要解释暗物质是多么的困难。

卡内基梅隆大学的理论物理学家斯科特·多德尔森说，炮制这样一个引力理论“太复杂了，似乎不太可能有人想出一个可行的方案。”不过，一些理论家说，通过测试还是有可能的。

根据宇宙学家的理论，考虑到我们观察到星系旋转的速度，暗物质几乎遍布每一个星系，提供额外的引力，阻止恒星随意飘动。由这些东西组成的巨大的网是宇宙发展的脚手架。然而，经过几十年的尝试，物理学家们还没有发现漂浮在周围的暗物质粒子。

一些科学家已经试图摆脱暗物质的习惯。1983年，以色列物理学家莫德海·米尔格罗姆发现，他可以通过修正牛顿著名的第二运动定律来解释星系外围高速旋转的恒星（力等于质量乘以加速度）。这一发现表明，至少在单个星系的尺度上，可以通过改变万有引力定律来消除对暗物质的需要。但是理论家们花了几十年的时间才把这个想法变成一个类似于阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论的有连贯性的引力理论，为了做到这一点，他们必须添加新的场（和通常的引力场类似）。

但要消除暗物质，理论家们还需要解释它在更大的宇宙尺度上的影响。NASA喷气推进实验室的宇宙学家克里斯·帕尔多和普林斯顿大学的宇宙学家大卫·斯佩格尔认为，这要困难得多。为了证明他们的观点，他们将大爆炸余晖（宇宙微波背景辐射（CMB））测量结果所揭示的早期宇宙中普通物质的分布情况与今天的星系分布情况进行了比较。

宇宙的演化是一个关于两种流体的故事：不与光相互作用的暗物质，和与光相互作用的普通物质。大爆炸在暗物质中留下了波纹，它们在自己的引力作用下开始合并成更密集的点。普通物质（当时是自由飞行的质子和电子的热汤）也开始落入暗物质团块中。然而，这些带电粒子本身产生的辐射将它们推了回来，产生了被称为重子振荡的声波。宇宙大爆炸38万年后，微波继续扩散，直到宇宙冷却到足以形成中性原子，这时CMB诞生了。声波在宇宙微波背景上留下了痕迹，在星系的分布上也留下了微弱的痕迹。

这种进化可以用普通物质通过改变重力相互作用来解释吗？为了探索这种可能性，帕尔多推导了一个数学函数，该函数描述了重力是如何从CMB揭示的普通物质分布得到当前星系的分布的。帕尔多在上周的《物理评论快报》上说，他们发现了一些惊人的现象：这个函数必须在正负值之间摇摆，这意味着引力在某些长度尺度上是吸引的，而在其他尺度上是排斥的。“这太奇怪了，”帕尔多说。

这项新研究表明，如果没有暗物质，引力将如何改变来解释宇宙的大尺度结构。这种改变必须是彻底的。要做到这一点，宇宙学家必须要跨越这13个障碍。

然而，理论家们似乎已经准备好跨越这些障碍。为了做到这一点，研究人员在广义相对论这样的理论中增加了一个额外的可调场，称为标量场。它有能量，通过爱因斯坦质量和能量的等效性，它可以表现得像质量的一样。在大的空间尺度下，把星体设置得恰到好处，标量场只与自身相互作用，就像暗物质一样。

在某种意义上，它只是用另一种经过精心调谐的标量场取代了一种神秘的东西——暗物质。