探明暗物質(zhì)的真身是當(dāng)代宇宙學(xué)乃至物理學(xué)最核心的問題之一。遺憾的是，盡管經(jīng)過了幾十年的努力，卻仍未找到暗物質(zhì)存在的確鑿證據(jù)。因此暗物質(zhì)的替代理論擁有了自己的發(fā)展空間。甚至引出了顛覆現(xiàn)有物理學(xué)基礎(chǔ)的某些結(jié)論，如不再把慣性看作是物體固有屬性的量子慣性假說。很快，馬斯克的獵鷹9號火箭將發(fā)射SpaceX Transporter 8任務(wù)，將會順帶檢驗被廣泛視作偽科學(xué)的量子慣性假說的實際效應(yīng)。

撰文?|?嘉偉

按照預(yù)定計劃，6月12日（UTC時間，北京時間13日5:20-6:20左右），埃隆·馬斯克（Elon Musk）創(chuàng)立的太空探索技術(shù)公司SpaceX的獵鷹9號火箭將發(fā)射 Transporter-8 任務(wù)，該任務(wù)會捎帶測試一種黑科技設(shè)備的可行性。這種設(shè)備的原理基于量子慣性假說。設(shè)備名叫IVO Quantum Drive（IVO量子驅(qū)動引擎），是一種純電推進系統(tǒng)。外形如下圖：

IVO量子驅(qū)動引擎 | 圖源：IVO Ltd.

然而，似乎大多數(shù)物理學(xué)家都認為這一實驗是偽科學(xué)的炒作噱頭，純屬浪費經(jīng)費，IVO量子驅(qū)動引擎肯定不會成功。

為何學(xué)術(shù)共同體對這一停留在理論上的技術(shù)，抱持如此負面的看法呢？量子慣性又是什么意思？那還要從暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)說起……

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1930年代，瑞士的天體物理學(xué)家Fritz Zwicky注意到，后發(fā)座星系團旋轉(zhuǎn)的速度太快了，考慮星系質(zhì)量所能提供的引力大小，其向心力無法支持星系的高速旋轉(zhuǎn)——所以星系本應(yīng)該分崩離析。

但它們顯然沒有。

M101星系，具有無法用可見物質(zhì)解釋的旋轉(zhuǎn)曲線 |圖源：NASA/CXC/SAO/D. Hartmann/JPL-Caltech

擺在大家面前的基本有兩條路：要么牛頓第二定律，乃至引力定律是錯的，要么往星系里添加點別的東西，填充質(zhì)量。

問題是牛頓第二定律早已經(jīng)過無數(shù)次驗證，可以解釋大量的物理現(xiàn)象——任何試圖取代牛頓定律的理論，必須要先能夠容納牛頓定律所能解釋的現(xiàn)象。所以無論是從心理上，還是實際操作上，大多數(shù)人寧愿押注在“別的東西”上。

因此，Zwicky得出結(jié)論，星系團里有大量我們無法看到的質(zhì)量——他稱之為暗物質(zhì)。

1980年，美國天文學(xué)家Vera Rubin證實并推廣了Zwicky的觀測結(jié)果：幾乎大多數(shù)星系的旋轉(zhuǎn)速度都不合理，角速度遠遠超過其質(zhì)量所能支持的大小。

之后的物理學(xué)家同樣走了一遍Fritz Zwicky的心路，最后也大多選擇了押注暗物質(zhì)。

從那以后的幾十年中，科學(xué)家一直在反復(fù)審視和完善暗物質(zhì)假說。同時，對子彈星系的觀測結(jié)果，幾乎確認了暗物質(zhì)的存在性。但最關(guān)鍵的一環(huán)，暗物質(zhì)本身，科學(xué)家從來沒有找到過。

目前科學(xué)家們提出的兩種主要的暗物質(zhì)候選者：相對較重的弱相互作用大質(zhì)量粒子?(WIMPs)?和一種假想的極輕的粒子——軸子（axion）。

香港大學(xué)的天文學(xué)家今年在《自然·天文學(xué)》雜志上提出，可以借助“引力透鏡”和“愛因斯坦環(huán)”來確認暗物質(zhì)的“真身”。| 圖源：ESA/Hubble & NASA

有大量的實驗試圖檢測出所謂的暗物質(zhì)，甚至制造出暗物質(zhì)，但是到目前為止，沒有一個成功。

同時，上述類型的暗物質(zhì)模型雖然大體上被許多科學(xué)家所接受，但仍然存在一些無法解釋之處。如被稱為星系暈尖點的問題就是其中之一，它提出星系中暗物質(zhì)的密度與所謂的N體模擬結(jié)果并不一致。所以始終有一小撮物理學(xué)家選擇了第二條路，試圖重新修正牛頓定律。

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暗物質(zhì)的替代方案被稱為修正牛頓動力學(xué)?(MOND)?或Milgrom動力學(xué)框架。這一理論——由物理學(xué)家 Mordehai Milgrom 于 1983 年首次發(fā)表——表明，如果我們修改牛頓第二定律，重新計算星系恒星的引力，我們就不需要暗物質(zhì)來填補宇宙的質(zhì)量空缺（關(guān)于MOND理論的詳細介紹，請見“返樸”往期文章《一對競爭的科學(xué)理論：暗物質(zhì)與修改引力理論》）。

MOND理論作為解釋星系旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的一種方式，沒有引入神秘的暗物質(zhì)。MOND的支持者提供了替代性的解釋：當(dāng)加速度小于10-10m/s2?的閾值時，引力會發(fā)生變化。這個想法并不是來自于任何基礎(chǔ)理論的。令人驚訝的是，同樣的加速度閾值幾乎對所有的星系都有效，無論大小，無論年輕還是年老的星系。

在低加速度下，MOND模型里的引力效果要強于經(jīng)典的萬有引力定律所描述的。副作用是，對象的運動不僅取決于其自身的質(zhì)量，而且還取決于附近的所有質(zhì)量。這種現(xiàn)象被稱為外部場效應(yīng)?(EFE)。

在2021年，支持MOND的學(xué)者終于構(gòu)建了可以與相對論相容的MOND模型。但總體上仍有拼湊之感。

其中極其不自然的地方是，必須“人為設(shè)置”牛頓定律失效的10-10m/s2?的閾值以符合觀察數(shù)據(jù)，并且對此沒有給出令人滿意的理由。

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在這種狀況下，有人試圖走出第三條路：普利茅斯大學(xué)物理學(xué)家Mike McCulloch于2007年提出了量子慣性（Quantum Inertia，QI）學(xué)說。這是一種慣性理論，它試圖用相對論和量子力學(xué)來解釋物體在加速時所受到的反作用力。

根據(jù)QI，加速的物體會在其加速方向的反方向看到一個Rindler視界，這是因為信息傳播有光速的限制。Rindler視界會把虛擬粒子轉(zhuǎn)為真實的輻射，稱之為Unruh輻射。

QI認為，視界會在物體一側(cè)減弱Unruh輻射，從而導(dǎo)致量子真空的梯度，在物體與其加速方向相反的方向施加一個推力，這就是慣性的起源。也就是說，按QI理論，慣性不再是物體的固有屬性，而是環(huán)境施加某種推力造成的后果。

在相對論里，Rindler視界的時空背景仍是閔氏時空，它只是由于選取了一個不同的坐標(biāo)系而變換出了一個視界（可通過換系而消除），這種視界也叫做坐標(biāo)視界。僅是某種數(shù)學(xué)變換。但在QI里，則認為那是某種物理實在。

至于Unruh輻射，指的是一名加速運動的觀察者可以觀測到慣性觀察者無法看到的黑體輻射，即加速運動的觀察者會發(fā)現(xiàn)自己處在一個溫暖的宇宙背景中。Unruh輻射是當(dāng)前理論上認可其存在性的概念，在1976年經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)而來。但是因為實際效應(yīng)太過微弱，目前無法在實驗室里進行檢驗。（不過去年有物理學(xué)家提出了一種實驗設(shè)計。只要肯花錢，也可以在地球上對Unruh效應(yīng)進行實驗驗證。）

以有一定接受度的Unruh輻射為理論出發(fā)點，提出QI學(xué)說的McCulloch不需要引入任何未知粒子（如暗物質(zhì)），也不需要為了配合觀測，人為指定無法解釋的關(guān)鍵閾值。所有都很理想，除了一點：QI與相對論的基礎(chǔ)和核心思想——等效原理——并不兼容。

換而言之，QI成立的前提是，廣義相對論的基礎(chǔ)（等效原理）是錯的——慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量不是一個東西。通過將物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量解耦，McCulloch聲稱能夠僅使用現(xiàn)有的可見物質(zhì)來解釋星系旋轉(zhuǎn)速度過快的問題。

QI還預(yù)測，在極低加速度下，例如星系邊緣的恒星，Rindler視界會移動得很遠，以至于接近宇宙視界，這樣Unruh輻射就會在四周均勻地減弱，慣性機制就會崩潰。這解釋了為什么星系邊緣的恒星可以以比預(yù)期更快的速度旋轉(zhuǎn)但仍然受到星系的束縛。因此，QI理論可以完美地貼合星系旋轉(zhuǎn)速度而不需要暗物質(zhì)或?qū)εｎD力學(xué)的任何調(diào)整?。

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雖然相信QI學(xué)說的人不多，但它有個暗物質(zhì)說和MOND理論所沒有的好處，那就是馬上就有機會檢驗一下該學(xué)說成色到底如何。由于QI預(yù)測我們可以從真空中獲得推力和能量，這就引出了本文開頭提到的IVO Quantum Drive——McCulloch依據(jù)QI原理設(shè)計的神奇引擎。

2018年，美國國防部下屬研究機構(gòu)高級研究計劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）——負責(zé)開發(fā)軍事用途的新興技術(shù)——向QI方向的研究人員授予了130萬美元的合同，以研究量子慣性。此舉迅速引發(fā)了爭議，因為相當(dāng)一部分物理學(xué)家認為QI就是偽科學(xué)，而DARPA對它的投資，便成了變相為偽科學(xué)背書。

這部分物理學(xué)家的懷疑是有道理的，經(jīng)過計算，IVO量子驅(qū)動引擎基本等價于第一類永動機……，不過QI理論的支持者聲稱，IVO量子驅(qū)動引擎并未自己產(chǎn)生能量，它借助了環(huán)境的能量，就像是順?biāo)兄?。它本質(zhì)上沒有違反牛頓定律和熱力學(xué)定律。

至于說DARPA為何會投資看起來如此不靠譜的技術(shù)，這其實和DARPA的官方性質(zhì)相關(guān)。截至2021年，他們的使命是“為國家安全做出關(guān)鍵的技術(shù)投資”。所以DARPA不介意適當(dāng)投資一些相關(guān)的技術(shù)——就算事后證明那的確是偽科學(xué)，也不過區(qū)區(qū)百萬美元而已；如若成功，則是科學(xué)領(lǐng)域前所未有的重大突破——似乎值得冒這個險。

當(dāng)然，DARPA也不會完全悶聲投錢，它在合同里要求McCulloch和他的同事證實這種無工質(zhì)引擎的可行性。所謂“無工質(zhì)引擎”，指不需要噴射什么東西就能制造反推力前進的引擎。也就是不遵守動量守恒的東西。IVO量子驅(qū)動引擎可以直接從真空中獲得推力，所以也是無工質(zhì)引擎。而上一代無工質(zhì)引擎，即傳說中的 EMDrive已被證偽。

但現(xiàn)在，由北達科他州的IVO公司開發(fā)，第一臺IVO量子驅(qū)動引擎將于2023年6月12日通過SpaceX Transporter 8任務(wù)發(fā)射到低地球軌道進行測試。這是IVO公司為了履行與DARPA的合同，同時爭取更大一筆的投資，而進行的軌道實驗。

如最開始所言，科學(xué)界基本上認為這是一場騙局（就和第一代無工質(zhì)引擎一樣）。但為了公允，請容筆者把另一方的說法放到下面。

按IVO公司的官方說辭，“IVO 量子驅(qū)動引擎是一種基于電容式空中傳輸?(CBAT)?技術(shù)的無線能量傳輸技術(shù)。CBAT可以將衛(wèi)星電池大小減少50%，并且不需要燃料 。該系統(tǒng)可以用每瓦電力產(chǎn)生52毫牛頓?(mN)?的推力，并且比現(xiàn)有的離子引擎重量輕得多。該系統(tǒng)利用太陽能作為動力來源，并且具有無限的機動性。”

提醒大家，上面的說法完全來自IVO公司自家的宣稱。其“產(chǎn)生52毫牛頓(mN)的推力”云云，目前外人完全沒看到實驗報告，也不能理解其機制。

再引用現(xiàn)任 IVO Ltd. 聯(lián)合創(chuàng)始人 Telehey 對未來的熱情展望：“IVO Quantum Drive 確實完全擺脫了現(xiàn)代空間推進的當(dāng)前局限性。它是第一個純電力推進裝置，這意味著它只需要電力即可運行。需要特殊燃料解決方案來推動航天器的復(fù)雜燃料系統(tǒng)的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。只要我們有電，我們就有推力，這就是為什么無限的 Delta-V 有史以來第一次成為可能。由于其獨立性，這是第一個可以完全內(nèi)置于航天器內(nèi)部的推進裝置。”

“我們與商業(yè)伙伴（Rogue Space Systems，為IVO Ltd.和SpaceX搭橋，促成了這次實驗）的合作源于我們對創(chuàng)新的共同熱情和擴展人類能力的最終目標(biāo)。幾千年來，人類一直懷著驚奇和渴望仰望星空?，F(xiàn)在，在人類歷史上，我們第一次有能力伸出手去觸摸這些遙遠的地方。我們的組織需要更認真地對待這一點，IVO 和 Rogue將共同一起創(chuàng)造歷史?！?/p>

好吧，如果IVO Quantum Drive成功地并且令人信服地展示了QI理論在太空中的應(yīng)用，那確如這位聯(lián)合創(chuàng)始人所說，他們將創(chuàng)造歷史。從那以后諸如方舟、世代飛船等概念，將不再停留在科幻小說和電影里。

果真如此，McCulloch將成為新時代的愛因斯坦?，F(xiàn)代物理學(xué)，無論是理論物理還是天體物理，都將被徹底顛覆。就像當(dāng)初相對論取代了牛頓力學(xué)的地位一樣，QI理論將取代相對論的位置，同時把暗物質(zhì)這個概念丟到歷史垃圾堆里?，F(xiàn)在和未來的所有觀測數(shù)據(jù)，如宇宙的總質(zhì)量、年齡、可見宇宙的半徑等等，都需要引入QI理論做重新解釋。

但關(guān)鍵是，它能否給出“成功且令人信服”的實驗證據(jù)。僅單次實驗顯示出IVO量子驅(qū)動引擎可以產(chǎn)生推力，那是不夠的。曾經(jīng)第一代無工質(zhì)引擎也顯示出過推力，但最后經(jīng)過縝密的實驗設(shè)計，我們知道，那微小的推力其實來源于環(huán)境干擾。（至于如何做到“令人信服”，那就要搬出判決性實驗的概念了。遺憾的是限于篇幅此處無法詳述。）另一方面，如果實驗沒有顯示出量子引擎可產(chǎn)生推力，我們也要考慮是否存在干擾因素，比如裝置在升空過程中壞掉了這類的意外。甚至，QI理論的支持者還可以和IVO Ltd.解綁，宣稱IVO不過是假借它名頭的騙子企業(yè)而已。

好了，時間就要到了，讓我們走著瞧吧。

致謝：感謝復(fù)旦大學(xué)安宇森博士對此文的審校！

參考文獻

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（量子慣性理論的發(fā)明人Mike McCulloch，2018年3月在TED上介紹他的理論。）

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

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