引力和暗能量的物理本質(zhì)是現(xiàn)代物理學(xué)中最迷人、卻又最令人頭疼的核心問題。

愛因斯坦的廣義相對論被普遍認(rèn)為是描述引力的標(biāo)準(zhǔn)理論。自100多年前廣義相對論提出以來，它經(jīng)受住了所有最嚴(yán)苛的檢驗，解決了牛頓理論無法解釋的水星近日點(diǎn)進(jìn)動問題，預(yù)言了黑洞和引力波的存在。它是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)，它甚至在日常生活中也發(fā)揮著重要的作用。

盡管廣義相對論如此成功，但自它提出以來，人們就開始尋找替代的引力理論。顯然，想要提出一個全新的引力理論是極其不容易的，這樣的一個新理論必須解釋廣義相對論所能夠解釋的一切，同時它也至少應(yīng)該能夠解釋暗物質(zhì)和暗能量難題中的一個。暗物質(zhì)的數(shù)量是普通物質(zhì)的五倍之多，暗能量則是推動宇宙加速膨脹的幕后黑手。

有一類理論被統(tǒng)稱為MOND（修改的牛頓動力學(xué)），它們探討的是根本不存在暗物質(zhì)的情況。但對于一些相對論能夠輕松處理的問題，它卻很難做出恰當(dāng)?shù)慕忉尅Ｋ矝]有解釋暗能量，部分原因是因為這類理論早在暗能量被發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)提出了。

另一類被稱為f(R)引力的模型則是為了消除對暗能量的需求，這類模型具有“變色龍”機(jī)制。這是因為它們假設(shè)存在一個額外的力，這個力會根據(jù)周圍的環(huán)境而改變行為。

在有很多物質(zhì)的地方，變色龍力就會被最小化，使它融入進(jìn)周圍的環(huán)境。當(dāng)物質(zhì)在更大的尺度上變得稀疏時，它的存在感便無法令人忽視。這就是為什么我們不能在地球上或中子星之類的天體上探測到任何有別于廣義相對論相對論的重大偏差，但當(dāng)我們開始觀測宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)時，就能探測到它們的存在。導(dǎo)致的最終結(jié)果是宇宙的加速膨脹，這種加速就如同暗能量一樣——只在大的尺度上才會顯現(xiàn)出來。

科學(xué)家已經(jīng)從理論計算中得知，f(R)引力可以復(fù)制廣義相對論在太陽系內(nèi)的成功。同時，它也預(yù)言了引力波和光子的傳播速度是一致的，這與雙中子星合并事件的觀測結(jié)果吻合。然而，若想要成為一個真正成功的物理學(xué)理論，它還還需要能處理廣義相對論所無法處理的細(xì)節(jié)。這使得驗證變得非常困難，因為新的模型就是被精心設(shè)計來匹配現(xiàn)有數(shù)據(jù)的。所以，問題的關(guān)鍵在于，我們要找到那些可以顯示廣義相對論和新模型之間的區(qū)別，卻又還沒有被我們找到的數(shù)據(jù)。

為了尋找這些差異，杜倫大學(xué)的一組宇宙學(xué)家決定，在那些可以模擬從恒星到星系團(tuán)等各種結(jié)構(gòu)的形成的大型計算機(jī)模型中，加入f(R)引力。他們發(fā)現(xiàn)，f(R)引力也可以被用來解釋宇宙結(jié)構(gòu)的形成。這一結(jié)果表明，即使擁有不同的引力定律，像我們銀河系這樣的星系仍然可以在宇宙中形成，該發(fā)現(xiàn)發(fā)表于7月8日的《自然天文學(xué)》。

○ 這是一張顯示了從修正引力模型中生成的盤形星系圖。圖像右側(cè)的紅藍(lán)顏色顯示的是星系盤內(nèi)的氣體密度，恒星顯示為明亮的斑點(diǎn)。圖像左側(cè)顯示了星系盤內(nèi)氣體的力的變化，其中深色的中心區(qū)域?qū)?yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的、廣義相對論式的力，而亮黃色區(qū)域?qū)?yīng)于增強(qiáng)了的力（修正的力）。兩張圖片自上而下分別顯示了從上方和側(cè)面模擬星系的樣子。| 圖片來源：Christian Arnold/Baojiu Li/Durham University.

研究人員利用了Illustris TNG模型來進(jìn)行測試，這是一個可模擬星系的形成和演化的微型宇宙。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，這一模型在某種程度上是完全基于廣義相對論來控制演化的。但在這次的測試中，研究人員用變色龍理論取代了廣義相對論。

○ 由