当今天体物理学中最大的谜团之一是星系中的力似乎并没有加起来。星系的旋转速度比牛顿引力定律对可见物质的预测要快得多，尽管这些定律在太阳系的任何地方都很有效。

为了防止星系分离，需要一些额外的引力。这就是为什么人们首先提出一种叫做暗物质的不可见物质的想法。但没人见过这些东西。而且，在非常成功的粒子物理学标准模型中，没有任何粒子可能是暗物质——它一定是某种相当奇特的东西。

这导致了另一种观点，即星系间的差异是由牛顿定律的失效造成的。这类理论中最成功的是以色列物理学家莫德海·米尔格罗姆(Mordehai Milgrom)在1982年提出的米尔格罗姆动力学(简称MOND)。但我们最近的研究表明，这一理论有问题。

MOND的主要假设是，当引力变得非常弱时，比如在星系的边缘，它的行为开始与牛顿所期望的不同。在没有任何暗物质的情况下，MOND在预测星系旋转方面非常成功，而且它还取得了其他一些成功。但其中许多现象也可以用暗物质来解释，从而保持牛顿定律。

那么，我们如何对MOND进行明确的测试呢?多年来，我们一直在追求这个目标。关键在于MOND只在低加速度下改变重力的行为，而不是在与物体的特定距离上。在任何天体——行星、恒星或星系——的外围，你都会感受到比靠近它时更低的加速度。但是，预测哪里的重力应该更大的是加速度的大小，而不是距离。

这意味着，尽管MOND效应通常会在离星系几千光年远的地方产生，但如果我们观察一颗单独的恒星，这种效应在十分之一光年的地方就会变得非常显著。这只比一个天文单位(AU)——地球和太阳之间的距离——大几千倍。但是，在更小的尺度上，比如在外太阳系中，也应该可以探测到较弱的MOND效应。

这就把我们带到了卡西尼号任务，该任务于2004年绕土星运行，并于2017年最后一次猛烈撞击土星。土星绕太阳公转10天文单位。由于MOND的一个怪癖，来自银河系其他地方的引力应该会导致土星的轨道以一种微妙的方式偏离牛顿的预期。

这可以通过计时地球和卡西尼之间的无线电脉冲来测试。由于卡西尼号绕土星运行，这有助于测量地球与土星的距离，并使我们能够精确地跟踪土星的轨道。但是卡西尼号并没有在MOND中发现任何异常。牛顿仍然适用于土星。

我们中的一员Harry Desmond最近在《皇家天文学会月报》上发表了一项研究，对结果进行了更深入的调查。如果我们调整一下根据亮度计算星系质量的方法，也许MOND会符合卡西尼号的数据?这将影响到MOND需要提供多大的引力增强来适应星系旋转模型，从而影响到我们对土星轨道的预期。

另一个不确定性是来自周围星系的引力，它的影响很小。但这项研究表明，考虑到MOND必须如何工作才能与星系旋转模型相匹配，它也不能与卡西尼号无线电跟踪结果相匹配——无论我们如何调整计算。

考虑到天文学家认为最有可能的标准假设，并考虑到广泛的不确定性，MOND与卡西尼号结果相匹配的几率与连续59次抛硬币正面朝上的几率相同。这是科学发现的黄金标准“5西格玛”的两倍多，这相当于连续扔21次硬币。

MOND有更多坏消息

这并不是MOND唯一的坏消息。另一个测试是由宽双星提供的——两颗恒星围绕着一个相距数千天文单位的共同中心运行。MOND预测，这类恒星围绕彼此运行的速度应该比牛顿定律预测的快20%。但我们其中的一位，Indranil Banik，最近领导了一项非常详细的研究，排除了这种预测。根据这些结果，MOND正确的概率与均匀硬币连续190次正面朝上的概率相同。

另一个研究小组的结果表明，MOND也无法解释遥远的太阳系外的小天体。从那里来的彗星的能量分布比MOND预测的要窄得多。这些天体的轨道通常只略微倾斜于所有行星绕其运行的平面。MOND会导致倾斜度更大。

在大约一光年以下的长度尺度上，牛顿引力比MOND引力更受欢迎。但是MOND在比星系更大的尺度上也不成立:它不能解释星系团内部的运动。暗物质最早是由弗里茨·兹威基在20世纪30年代提出的，用来解释后发星团中星系的随机运动，这需要比可见质量更大的引力来把它们聚集在一起。

MOND也不能提供足够的引力，至少在星系团的中心区域是这样。但是在它们的外围，MOND提供了太多的引力。相反，假设牛顿引力理论中暗物质的数量是正常物质的五倍，这似乎更符合数据。

然而，宇宙学的标准暗物质模型并不完美。从宇宙的膨胀率到巨大的宇宙结构，它都在努力解释一些事情。所以我们可能还没有一个完美的模型。暗物质似乎一直存在，但它的性质可能与标准模型所暗示的不同。或者引力可能确实比我们想象的更强——只是在非常大的尺度上。

但最终，根据目前的表述，MOND不再被认为是暗物质的可行替代品。我们可能不喜欢这样，但阴暗面仍然占据主导地位。

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