阿尔伯特·爱因斯坦首次提出引力如何编织进时空结构的想法已经过去了100多年，但我们仍然没有其他模型能更好地定义宇宙中物体如何运动和表现。广义相对论不仅比任何提出的替代模型都更圆滑的解释，而且证据更充分，尤其是在最近几年，通过引力波的探测穿过宇宙，以及有史以来第一张黑洞图像的出现，都得到了证明。
但广义相对论并非完美无缺。虽然它解释了我们通过宇宙观察到的绝大多数现象，但仍留下了一些明显的缺陷。这催生了各种替代引力模型，试图填补这些知识空白。其中一种模型是一种名为f(R)引力的“变色龙理论”，本周发表在《自然-天文学》杂志上的一项新研究表明，它可能是一个可行的模型，用于描述引力如何影响已知宇宙中一些最大的天体。
“这项研究首次表明，尽管引力场的行为复杂，但另一种引力理论仍然可以形成真实的星系，”英国杜伦大学物理学教授、新论文的合著者Baojiu Li说。“像这样的研究将有助于我们检验一个理论的可行性，并确定在哪里可以使用未来的观测数据来检验不同的引力理论。”
变色龙理论是一个总称，指的是一类偏离广义相对论的引力理论。标准物理学描述了四种基本力（引力、电磁力以及在亚原子层面作用的强核力和弱核力）。但变色龙理论认为存在第五种“第五种力”，它隐藏在太阳系等致密空间区域，但在低密度区域则更具影响力。
“这种理论环境依赖的行为使其得名‘变色龙理论’，”Li说。宇宙大部分区域处于低密度环境中，这意味着很有可能找到这种形状变化力的信号，并利用它来检验变色龙理论。
f(R)引力就是所谓的变色龙理论之一。据Li介绍，自20世纪70年代初以来，它一直被作为广义相对论的替代理论被讨论，并在不同背景下被研究，作为解释宇宙早期婴儿期及其当前状态的引力模型。
20世纪90年代和21世纪初，随着宇宙学数据开始显示宇宙的膨胀实际上在加速，它重新引起了科学家的兴趣。Li说，虽然广义相对论“在实践中运作得非常好”，可以通过暗能量来描述这种加速膨胀，但该模型预测会发生的情况与科学家实际观测到的数据之间存在一些差异。而且，我们从未真正观测到暗能量的事实，一直是广义相对论的一个宇宙学上的困扰。
问题在于：当你干扰引力时，你基本上是在扰乱宇宙中的其他一切。引力决定了物质如何聚集成岩石、小行星、恒星、星系——即一切如何成形。如果f(R)引力是可行的，它应该会孕育一个看起来像我们宇宙的宇宙，在那里星系看起来像螺旋形和椭圆形，而不是一系列天体化的罗夏墨迹测试。
Li和他的团队运行了基于f(R)引力的宇宙的超级计算机模拟，发现“像我们银河系这样的真实星系，可以在具有我们之前观测到的性质的情况下形成，即使在第五种力行为复杂的情况下，”他说。尽管如此，一种改变的引力模型导致黑洞吞噬物质时产生的热量有所改变——这种动态本可能严重破坏星系的形成，但不知何故并没有。
虽然这些发现确实引发了某种不同于广义相对论的东西在支配世界的可能性，但Li和他的团队强调，他们当然不声称f(R)引力是真实的，也不否定广义相对论。该研究的模拟仅仅是模拟。一种“第五种力”可能确实存在，并影响宇宙中事物的形成，但直到我们有观测或数据证明这种相互作用是真实的，否则我们只是在猜测。模拟本身是基于我们迄今为止收集到的数据构建的，而且“必须牢记，星系形成是一个积极发展的研究领域，还有一些事情尚不确定，”Li说。我们测量的错误信号、数据中的漏洞和其他不确定的变量很容易产生错误的模拟。而仅仅因为我们从未观测到暗能量，并不意味着它就被取消了。
除非我们能在现实世界中真正检验f(R)引力和其他变色龙理论，否则我们永远不会知道广义相对论是否该被抛弃——这显然是说起来容易做起来难。我们知道变色龙会改变颜色，因为我们在现实生活中见过。但我们如何才能看到引力定律发生变化呢？这样的事情如何可观测？这个问题没有简单的答案。
杜伦大学的研究人员希望利用即将启用的平方公里阵列（SKA）来开展这项工作，SKA将于2020年开始观测。它将是世界上最大的射电望远镜，分布在两个大洲，其功率足以深入观测宇宙深处，并观测宇宙大爆炸后不久形成的恒星和星系。在短短几年内，我们可能会获得一些数据，揭示有关暗能量和广义相对论的信息，或者变色龙理论是否可能在影响宇宙。老实说，让爱因斯坦的影响力被一种蜥蜴物种取代，听起来也不错。
