暗物質理論是當前的主流理論，但在暗物質沒有完全得到否認的情況下，一些科學家又提出了修正引力理論來解釋宇宙現象。
萬有引力定理是迄今為止最成熟的數學學定理。并且宇宙中的行星、恒星、星系甚至于更廣意義上的現象其實并不符合萬有引力定理的描述，以至于你會反復對你所看見現象進行反復復查。其實，我們的數學學定理對宇宙的理解總是不完整的，須要我們對其反復進行修正。目前，在怎么解釋宇宙引力問題念書術界有兩種不同的觀點：一個陣營所持暗物質的觀點解釋宇宙引力問題，而另一陣營則堅持對現有的引力定理進行修正。
暗物質其實可以決定宇宙結構組成
1781年，天王星被發覺，這是在木星軌道之外發覺第一顆太陽系大行星。并且這是人類首次用望遠鏡而不是肉眼發覺的第一顆行星當時，牛頓的萬有引力定理就能對行星的環日軌道進行估算。因而天王星的發覺給人類提供了一個驗證牛頓萬有引力的機會。這對于科學家來說是一個意想不到的驚喜。但經過六十多年的觀察，科學家們發覺：
在最初的20年里，依據牛頓的萬有引力定理，天王星雖然聯通的過快；
在接出來的20年，天王星的運動雖然又符合牛頓萬有引力定理；
此后，天王星的聯通速率又慢出來，又開始與牛頓的萬有引力定理不相符。
天王星究竟發生了哪些？是牛頓錯了嗎？還是有一些額外的未經發覺的物質，其引力可以解釋天王星運動的誤差？
理論學家們在這兩方面都做了大量工作，但當時“不可見的物質”的理論搶占了上風。1846年，英國天文學家勒威耶(Le)推論是由于存在一顆未知行星的引力作用，使天王星的軌道運動遭到干擾，也就是天文學上所謂的“攝動”影響。他估算出這顆行星的軌道、位置、大小，之后請柏林天文臺的伽勒找尋這顆未知的行星。1846年9月23日，伽勒按照勒維耶預言，只花了一個小時，就在離勒維耶預言的位置不到1度的地方，發覺了一顆新的行星。后來這個新的行星被命名為海王星。“不可見的物質”這一理論也得到了驗證。
太陽系中的所有行星都遵守引力定理
大概在同一個時間段，一個新問題被注意到，那就是太陽系最外側水星的近期點進動問題。太陽系中的每一個行星都有一個近期點或則說是最接近太陽的方位。因為太陽系中行星受太陽、其他行星以及小行星引力的影響，各個行星的近期點進動都各有不同。按照牛頓萬有引力進行估算，水星的近期點進動為每世紀5557角秒但，實際觀測值為每世紀5600角秒，兩者之間仍然有著一個微小卻不可忽略的差別。
同樣，理論學家爭辯是否須要一個新的行星來解釋這一誤差。在這些情況下，一個在水星內部的行星，代號為的行星“出現”了。另一種理論解釋是牛頓萬有引力定理須要進行更改。其實在整個十九世紀后半葉，人們都在旨在于通過驗算和觀測尋覓所謂的，而且一無所獲。而在另一方面牛頓第一宇宙速度誰提出的，隨著化學學的研究領域拓展到接近光速時，牛頓精典熱學早已未能對現實作出合理解釋，邁克爾遜-莫雷(-)實驗和狹義相對論的發展也表明牛頓萬有引力定理須要進行改進。1915年底，愛因斯坦提出了廣義相對論，成功地解釋了水星近期點進動問題，其所估算的進動值在交納了其他行星的影響后應是每100年向東移過42.91″，與觀測值——43″十分吻合。
假想行星
迄今為止，例如引力時間延后、引力透鏡效應、脈沖星軌道衰變再到引力波等眾多現象都可以從愛因斯坦的廣義相對論找到解釋。而且關于星體的自轉問題同樣有著眾多問題。目前科學家可以通過觀測單個星體來檢測它們的自轉速率。持續旋轉的星體兩側面向我們而至，會形成藍移;另左側背對我們而去，會形成紅移。人們起初以為星體的自轉和太陽系的情況類似——越靠內，星體的運動速率越快。但事實上依據觀測，無論離開中心有多遠，星體各部份的自轉速率都是一個常數。這同樣存在兩種可能——要么牛頓的萬有引力定理須要修正，要么我們必須假定存在一種看不見的物質。
這么此次的解決方案是哪些？是該修正現有的引力定理嗎？這樣一來，我們須要對引力定理作出相應的修正，因而就可以解釋所有星體的自轉曲線。其中也包括這些很小的星體，其引力和質量的差別很大。
上個月，天體化學學家提出了一種新的修正引力理論，致使星體不再須要額外的不可見物質，便可在普通物質框架下維持單一星體的引力穩定。而且，一旦人們在宇宙的更大尺度上考慮這個問題，都會發覺這些修正的引力理論也有著巨大的漏洞。
和星球之間的碰撞一樣,星體之間的碰撞在星體演化過程中也是司空見慣的現象。當不同的星體團發生碰撞時，按照更改的引力理論，碰撞前的預測與碰撞后的預測完全不同。這些更改引力理論完全不能解釋星體碰撞問題。當人們企圖用修正引力理論解釋星體團中某些星體的運動時，解釋使光線發生彎曲的引力透鏡現象時，解釋宇宙大爆燃的背景幅射以及與引力有關的膨脹宇宙概念時，都失敗了。
1919年，愛因斯坦廣義相對論解釋了光在強悍引力作用下形成的彎曲現象
科學家的另一種選擇是堅持暗物質理論，而不再更改牛頓或愛因斯坦的定理。你可以保持這種理論不變，須要的僅僅是向宇宙中添加一些看不見的物質，它們會形成互相作用的引力。通過額外降低的那些引力源，人們就可以有效解釋絕大多數單個星體怎樣旋轉、運動。
關于153個星體重力加速度（y軸）與可見質量物質（x軸）的相關性。紅色顯示每位單獨星體，而綠色則代表分體統計數據。
暗物質理論就能宇宙的更大尺度上解釋觀測到的宏觀現象。一方面是由于在更大尺度上，宇宙更為均勻，波動也更為粗糙，引力是其中最主要的效應。暗物質理論可以在最大尺度上重現宇宙的微波背景幅射，包括星體團碰撞、引力透鏡以及星體團的運動等宏觀現象都可以用暗物質來解釋。
可見星體、中性二氧化碳以及球形星團都指向了修正引力理論或是暗物質的存在。其理論位置與觀測位置都不符合。
然而，其也存在著一些問題。在暗物質理論模擬中，一個星體須要包含數萬億的暗物質粒子，其中還須要考慮光子壓力、恒星產生、超新星以及其他效應。這樣結論，每位個體星體須要包含10的60次方甚至10的80次方暗物質粒子。要曉得一萬億只有10的12次方。暗物質理論對于這些大星體比較有效牛頓第一宇宙速度誰提出的，這種星體起碼要是銀河質量的10%甚至更大。但在另一方面，在按照暗物質所進行的模擬中，這些質量更小的星體常常須要包含更多的暗物質才才能達到引力的平衡。由于這種小星體的星體數目沒有漩渦星體這么多，大多不會超過十億，甚至只有幾百萬。這種星體內的星體運動速率比小型星體內的星體要慢。并且要使這樣的結構保持穩定，所需的暗物質比列卻比別處要高出許多。在個別情況下，這些比列甚至會高達20比1，而在極端情況下（更低的質量），這一比列甚至可以上升到幾百比1。
宇宙中已知最小的星體是我們銀河系的衛星系，它們所含的星體只有幾百，這種星體圍繞著聯合剛體運行，運行速率只有15千米/秒。通過計算機模擬，要使星體在此空間區域保持該速率公轉，所需的暗物質總數是太陽質量的成千上萬倍。也就是說，在此極端個例中，暗物質總數要比普通物質高出一千倍左右，這總讓人感覺有些不合常理。
質量與加速度相關性早已被驗證的星體，注意只有這些比實線更大的星體才才能被暗物質理論充分模擬
暗物質陣營中的大多數人深信，迄今為止其理論就能對整個宇宙中所有相關現象做出一致性解釋。同樣，而堅持修正引力理論的人們則覺得在小尺度星體上暗物質比列的不合理就是暗物質理論的失敗，而她們所發覺的修正引力則可以帶來比愛斯坦廣義相對論更為深遠的理論改革。目前來看，修正引力理論的最大挑戰是在大尺度上解釋宇宙宏觀現象，而暗物質理論的挑戰則是怎樣正確重現小尺度星體的細節問題。
各類碰撞星體團的X射線（藍色）以及總體物質（紅色）波譜圖，顯示了正常物質和暗物質之間的顯著區別
對于暗物質陣營的人們來說，其深信修正引力理論也僅僅是廣義相對論，最終還是暗物質提供了引力源。而奉行修正引力理論的人則覺得暗物質是完全不存在的。但關鍵在于，假如如今你想解釋我們所觀測到的宇宙現象，就必需要有暗物質的存在。目前還沒有一種已知的修正引力可以在宇宙大尺度上解釋一系列宏觀現象，而例如宇宙微波背景幅射等現象也須要暗物質理論進行支撐。若果沒有暗物質，則必須有一種建立的修正引力理論來解釋所有的宇宙現象。
宇宙微波背景幅射，也是大爆燃殘留的輝光
兩大陣營將繼續互相爭辯，直到有三天暗物質被直接測量到，或是人們就能完全驗證所謂的修正引力理論是暗物質影響的結果。似乎暗物質還不能完全判定是真實的，但在目前情況下，卻還能通過最少的更改，對整個宇宙中所有相關現象做出一致性解釋。其實，我們須要清楚的是，一個完全有勸說力的理論還沒有完全出現，一切還仍未結束。
本文為網易科學專稿，“科學人”網易科學旗下深度原創類欄目。投稿請聯系：
