探明暗物质的真身是当代宇宙学乃至物理学最核心的问题之一。遗憾的是，尽管经过了几十年的努力，却仍未找到暗物质存在的确凿证据。因此暗物质的替代理论拥有了自己的发展空间。甚至引出了颠覆现有物理学基础的某些结论，如不再把惯性看作是物体固有属性的量子惯性假说。很快，马斯克的猎鹰9号火箭将发射SpaceX Transporter 8任务，将会顺带检验被广泛视作伪科学的量子惯性假说的实际效应。


本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：嘉伟，头图来自：SpaceX


按照预定计划，6月12日（UTC时间，北京时间13日5:20-6:20左右），埃隆·马斯克（Elon Musk）创立的太空运输公司SpaceX的猎鹰9号火箭将发射 Transporter-8 任务，该任务会捎带测试一种黑科技设备的可行性。这种设备的原理基于量子惯性假说。设备名叫IVO Quantum Drive（IVO量子驱动引擎），是一种纯电推进系统。外形如下图：


IVO量子驱动引擎 | 图源：IVO Ltd.


然而，似乎大多数物理学家都认为这一实验是伪科学的炒作噱头，纯属浪费经费，IVO量子驱动引擎肯定不会成功。


为何学术共同体对这一停留在理论上的技术，抱持如此负面的看法呢？量子惯性又是什么意思？那还要从暗物质的发现说起……


一


1930年代，瑞士的天体物理学家Fritz Zwicky注意到，后发座星系团旋转的速度太快了，考虑星系质量所能提供的引力大小，其向心力无法支持星系的高速旋转——所以星系本应该分崩离析。


但它们显然没有。


M101星系，具有无法用可见物质解释的旋转曲线 |图源：NASA/CXC/SAO/D. Hartmann/JPL-Caltech


摆在大家面前的基本有两条路：要么牛顿第二定律，乃至引力定律是错的，要么往星系里添加点别的东西，填充质量。       


问题是牛顿第二定律早已经过无数次验证，可以解释大量的物理现象——任何试图取代牛顿定律的理论，必须要先能够容纳牛顿定律所能解释的现象。所以无论是从心理上，还是实际操作上，大多数人宁愿押注在“别的东西”上。       


因此，Zwicky得出结论，星系团里有大量我们无法看到的质量——他称之为暗物质。       


1980年，美国天文学家Vera Rubin证实并推广了Zwicky的观测结果：几乎大多数星系的旋转速度都不合理，角速度远远超过其质量所能支持的大小。       


之后的物理学家同样走了一遍Fritz Zwicky的心路，最后也大多选择了押注暗物质。       


从那以后的几十年中，科学家一直在反复审视和完善暗物质假说。同时，对子弹星系的观测结果，几乎确认了暗物质的存在性。但最关键的一环，暗物质本身，科学家从来没有找到过。


目前科学家们提出的两种主要的暗物质候选者：相对较重的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）和一种假想的极轻的粒子——轴子（axion）。


香港大学的天文学家今年在《自然·天文学》杂志上提出，可以借助“引力透镜”和“爱因斯坦环”来确认暗物质的“真身”。| 图源：ESA/Hubble & NASA


有大量的实验试图检测出所谓的暗物质，甚至制造出暗物质，但是到目前为止，没有一个成功。


同时，上述类型的暗物质模型虽然大体上被许多科学家所接受，但仍然存在一些无法解释之处。如被称为星系晕尖点的问题就是其中之一，它提出星系中暗物质的密度与所谓的N体模拟结果并不一致。所以始终有一小撮物理学家选择了第二条路，试图重新修正牛顿定律。


二


暗物质的替代方案被称为修正牛顿动力学（MOND）或Milgrom动力学框架。这一理论——由物理学家 Mordehai Milgrom 于 1983 年首次发表——表明，如果我们修改牛顿第二定律，重新计算星系恒星的引力，我们就不需要暗物质来填补宇宙的质量空缺（关于MOND理论的详细介绍，请见“返朴”往期文章《一对竞争的科学理论：暗物质与修改引力理论》）。       


MOND理论作为解释星系旋转数据的一种方式，没有引入神秘的暗物质。MOND的支持者提供了替代性的解释：当加速度小于10-10m/s2 的阈值时，引力会发生变化。这个想法并不是来自于任何基础理论的。令人惊讶的是，同样的加速度阈值几乎对所有的星系都有效，无论大小，无论年轻还是年老的星系。       


在低加速度下，MOND模型里的引力效果要强于经典的万有引力定律所描述的。副作用是，对象的运动不仅取决于其自身的质量，而且还取决于附近的所有质量。这种现象被称为外部场效应（EFE）。


在2021年，支持MOND的学者终于构建了可以与相对论相容的MOND模型。但总体上仍有拼凑之感。


其中极其不自然的地方是，必须“人为设置”牛顿定律失效的10-10m/s2 的阈值以符合观察数据，并且对此没有给出令人满意的理由。


三


在这种状况下，有人试图走出第三条路：普利茅斯大学物理学家Mike McCulloch于2007年提出了量子惯性（Quantum Inertia，QI）学说。这是一种惯性理论，它试图用相对论和量子力学来解释物体在加速时所受到的反作用力。       


根据QI，加速的物体会在其加速方向的反方向看到一个Rindler视界，这是因为信息传播有光速的限制。Rindler视界会把虚拟粒子转为真实的辐射，称之为Unruh辐射。       


QI认为，视界会在物体一侧减弱Unruh辐射，从而导致量子真空的梯度，在物体与其加速方向相反的方向施加一个推力，这就是惯性的起源。也就是说，按QI理论，惯性不再是物体的固有属性，而是环境施加某种推力造成的后果。       


在相对论里，Rindler视界的时空背景仍是闵氏时空，它只是由于选取了一个不同的坐标系而变换出了一个视界（可通过换系而消除），这种视界也叫做坐标视界。仅是某种数学变换。但在QI里，则认为那是某种物理实在。       


至于Unruh辐射，指的是一名加速运动的观察者可以观测到惯性观察者无法看到的黑体辐射，即加速运动的观察者会发现自己处在一个温暖的宇宙背景中。Unruh辐射是当前理论上认可其存在性的概念，在1976年经数学推导而来。但是因为实际效应太过微弱，目前无法在实验室里进行检验。（不过去年有物理学家提出了一种实验设计。只要肯花钱，也可以在地球上对Unruh效应进行实验验证。）


以有一定接受度的Unruh辐射为理论出发点，提出QI学说的McCulloch不需要引入任何未知粒子（如暗物质），也不需要为了配合观测，人为指定无法解释的关键阈值。所有都很理想，除了一点：QI与相对论的基础和核心思想——等效原理——并不兼容。       


换而言之，QI成立的前提是，广义相对论的基础（等效原理）是错的——惯性质量和引力质量不是一个东西。通过将物体的惯性质量和引力质量解耦，McCulloch声称能够仅使用现有的可见物质来解释星系旋转速度过快的问题。       


QI还预测，在极低加速度下，例如星系边缘的恒星，Rindler视界会移动得很远，以至于接近宇宙视界，这样Unruh辐射就会在四周均匀地减弱，惯性机制就会崩溃。这解释了为什么星系边缘的恒星可以以比预期更快的速度旋转但仍然受到星系的束缚。因此，QI理论可以完美地贴合星系旋转速度而不需要暗物质或对牛顿力学的任何调整 。


四


虽然相信QI学说的人不多，但它有个暗物质说和MOND理论所没有的好处，那就是马上就有机会检验一下该学说成色到底如何。由于QI预测我们可以从真空中获得推力和能量，这就引出了本文开头提到的IVO Quantum Drive——McCulloch依据QI原理设计的神奇引擎。


2018年，美国国防部下属研究机构高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）——负责开发军事用途的新兴技术——向QI方向的研究人员授予了130万美元的合同，以研究量子惯性。此举迅速引发了争议，因为相当一部分物理学家认为QI就是伪科学，而DARPA对它的投资，便成了变相为伪科学背书。       


这部分物理学家的怀疑是有道理的，经过计算，IVO量子驱动引擎基本等价于第一类永动机……不过QI理论的支持者声称，IVO量子驱动引擎并未自己产生能量，它借助了环境的能量，就像是顺水行舟。它本质上没有违反牛顿定律和热力学定律。


至于说DARPA为何会投资看起来如此不靠谱的技术，这其实和DARPA的官方性质相关。截至2021年，他们的使命是“为国家安全做出关键的技术投资”。所以DARPA不介意适当投资一些相关的技术——就算事后证明那的确是伪科学，也不过区区百万美元而已；如若成功，则是科学领域前所未有的重大突破——似乎值得冒这个险。


当然，DARPA也不会完全闷声投钱，它在合同里要求McCulloch和他的同事证实这种无工质引擎的可行性。所谓“无工质引擎”，指不需要喷射什么东西就能制造反推力前进的引擎。也就是不遵守动量守恒的东西。IVO量子驱动引擎可以直接从真空中获得推力，所以也是无工质引擎。而上一代无工质引擎，即传说中的 EMDrive已被证伪。       


但现在，由北达科他州的IVO公司开发，第一台IVO量子驱动引擎将于2023年6月12日通过SpaceX Transporter 8任务发射到低地球轨道进行测试。这是IVO公司为了履行与DARPA的合同，同时争取更大一笔的投资，而进行的轨道实验。


如最开始所言，科学界基本上认为这是一场骗局（就和第一代无工质引擎一样）。但为了公允，请容笔者把另一方的说法放到下面。


按IVO公司的官方说辞，“IVO 量子驱动引擎是一种基于电容式空中传输（CBAT）技术的无线能量传输技术。CBAT可以将卫星电池大小减少50%，并且不需要燃料 。该系统可以用每瓦电力产生52毫牛顿（mN）的推力，并且比现有的离子引擎重量轻得多。该系统利用太阳能作为动力来源，并且具有无限的机动性。”


提醒大家，上面的说法完全来自IVO公司自家的宣称。其“产生52毫牛顿（mN）的推力”云云，目前外人完全没看到实验报告，也不能理解其机制。


再引用现任 IVO Ltd. 联合创始人 Telehey 对未来的热情展望：“IVO Quantum Drive 确实完全摆脱了现代空间推进的当前局限性。它是第一个纯电力推进装置，这意味着它只需要电力即可运行。需要特殊燃料解决方案来推动航天器的复杂燃料系统的日子已经一去不复返了。只要我们有电，我们就有推力，这就是为什么无限的 Delta-V 有史以来第一次成为可能。由于其独立性，这是第一个可以完全内置于航天器内部的推进装置。”


“我们与商业伙伴（Rogue Space Systems，为IVO Ltd.和SpaceX搭桥，促成了这次实验）的合作源于我们对创新的共同热情和扩展人类能力的最终目标。几千年来，人类一直怀着惊奇和渴望仰望星空。现在，在人类历史上，我们第一次有能力伸出手去触摸这些遥远的地方。我们的组织需要更认真地对待这一点，IVO 和 Rogue将共同一起创造历史。”


好吧，如果IVO Quantum Drive成功地并且令人信服地展示了QI理论在太空中的应用，那确如这位联合创始人所说，他们将创造历史。从那以后诸如方舟、世代飞船等概念，将不再停留在科幻小说和电影里。


果真如此，McCulloch将成为新时代的爱因斯坦。现代物理学，无论是理论物理还是天体物理，都将被彻底颠覆。就像当初相对论取代了牛顿力学的地位一样，QI理论将取代相对论的位置，同时把暗物质这个概念丢到历史垃圾堆里。现在和未来的所有观测数据，如宇宙的总质量、年龄、可见宇宙的半径等等，都需要引入QI理论做重新解释。


但关键是，它能否给出“成功且令人信服”的实验证据。仅单次实验显示出IVO量子驱动引擎可以产生推力，那是不够的。曾经第一代无工质引擎也显示出过推力，但最后经过缜密的实验设计，我们知道，那微小的推力其实来源于环境干扰。（至于如何做到“令人信服”，那就要搬出判决性实验的概念了。遗憾的是限于篇幅此处无法详述。）另一方面，如果实验没有显示出量子引擎可产生推力，我们也要考虑是否存在干扰因素，比如装置在升空过程中坏掉了这类的意外。甚至，QI理论的支持者还可以和IVO Ltd.解绑，宣称IVO不过是假借它名头的骗子企业而已。       


好了，时间就要到了，让我们走着瞧吧。


致谢：感谢复旦大学安宇森博士对此文的审校！


参考文献

1 DARPA Is Researching Quantized Inertia， a Theory Many Think Is Pseudoscience (vice.com)

2 An Alternative Theory of Inertia will Get Tested in Space - Universe Today

3 Physics - Dark Matter Alternative Passes Big Test (aps.org)

4 Evidence of "modified gravity" strengthens dark matter alternative (newatlas.com)

5 Physicists Found a Way to Trigger The Strange Glow of Warp Speed Acceleration : ScienceAlert

6 How quantised inertia gets rid of dark matter | Mike McCulloch | TEDxPlymouthUniversity（量子惯性理论的发明人Mike McCulloch，2018年3月在TED上介绍他的理论。）


本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司


本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：嘉伟