否認(rèn)暗物質(zhì)的物理學(xué)家

奧迪德·卡爾邁爾

是什么激勵著你用畢生的精力來研究恒星的運(yùn)動？

我非常清楚地記得物理學(xué)帶給我的啟發(fā)。16歲那年，我認(rèn)為物理學(xué)可以幫助我理解事物如何運(yùn)作，這一理解遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我的同伴。那時(shí)候?qū)ξ锢韺W(xué)的研究還沒有一個(gè)長期的計(jì)劃，只是每天都很有興趣。我只是喜歡物理，就像其他人喜歡藝術(shù)或運(yùn)動一樣。我做夢也沒想到有一天會有重大發(fā)現(xiàn)，比如修正牛頓物理學(xué)。

我在學(xué)校有一個(gè)很棒的物理老師，但是當(dāng)你學(xué)習(xí)教科書的時(shí)候，你學(xué)習(xí)的是別人已有的研究成果。你看不到他們在結(jié)論不清晰、憑直覺做出推斷、即使出錯(cuò)也要取得突破性進(jìn)展時(shí)付出的努力。他們不會在學(xué)校里教你。他們告訴你科學(xué)總是向前發(fā)展的：你有一定的知識體系，然后有人發(fā)現(xiàn)了一些新的理論，擴(kuò)充了你的知識。但它并不是這樣的，科學(xué)的進(jìn)步從來不是直線發(fā)展的。

你是怎么參與到暗物質(zhì)的研究中的？

在我博士畢業(yè)的時(shí)候，這里的物理系想要擴(kuò)大研究領(lǐng)域。因此，他們讓三位頂尖的、從事粒子物理學(xué)研究的博士生選擇一個(gè)新的領(lǐng)域。我們選擇了天體物理學(xué)，而魏茨曼研究所也在國外組織了一些機(jī)構(gòu)來接收我們這些博士后。為了填補(bǔ)我在天體物理學(xué)方面的空白，我去了康奈爾大學(xué)。

在研究了幾年的高能天體物理學(xué)、空間X 射線輻射物理學(xué)之后，我決定轉(zhuǎn)向另一個(gè)領(lǐng)域：星系動力學(xué)。幾年后，我第一次詳細(xì)測量了環(huán)繞螺旋星系旋轉(zhuǎn)的恒星的速度。但是，測量中存在一個(gè)問題。

要理解這個(gè)問題，你的大腦需要圍繞一些天體的旋轉(zhuǎn)來思考。我們的行星圍繞太陽運(yùn)行，而太陽又繞著銀河系的中心運(yùn)行。在太陽系內(nèi)部，來自太陽質(zhì)量的引力和行星的速度是平衡的。根據(jù)牛頓定律，這就是為什么我們太陽系最內(nèi)側(cè)的行星——水星——以16萬千米/時(shí)的速度繞太陽運(yùn)行，而最外層的海王星以1.6萬千米/時(shí)的速度“爬行”。

現(xiàn)在，你可能會認(rèn)為相同的邏輯適用于星系的運(yùn)動：離星系的中心越遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度越慢。然而，在較小的半徑上測量是牛頓物理學(xué)預(yù)測的，從我們在這些星系中看到的質(zhì)量的引力來看，遙遠(yuǎn)的恒星的運(yùn)動速度比預(yù)測的要快得多。在20世紀(jì)70年代后期，射電望遠(yuǎn)鏡能夠探測和測量星系外圍的冷氣云，于是觀測到的差距變得更大了。這些云層環(huán)繞銀河系中心的距離是恒星的5倍，因此這種異常現(xiàn)象逐漸成為主要的科學(xué)難題。

解決這個(gè)難題的一種方法就是簡單地假設(shè)存在更多的物質(zhì)。如果星系中心的可見質(zhì)量太少，以致不能解釋恒星和氣體的速度，那么也許還有比我們?nèi)庋鬯姷母〉奈镔|(zhì)，我們看不到的物質(zhì)，即暗物質(zhì)。

是什么讓你第一次質(zhì)疑暗物質(zhì)的存在？

讓我震驚的是一些異常的規(guī)律。旋轉(zhuǎn)速度不僅大于預(yù)期，而且隨著半徑的變化而變化。為什么？當(dāng)然，如果有暗物質(zhì)，恒星的旋轉(zhuǎn)速度會更大，但是旋轉(zhuǎn)曲線，也就是根據(jù)半徑的旋轉(zhuǎn)速度繪制的曲線，仍然可以根據(jù)它的分布上下變化。但是它們卻沒有。這讓我覺得很奇怪。所以，1980年，我在普林斯頓高等研究院休假時(shí)一直在思考以下問題：如果旋轉(zhuǎn)速度是恒定的，那么也許我們正在研究一種新的自然規(guī)律。如果牛頓物理學(xué)不能預(yù)測固定的曲線，也許我們應(yīng)該修正牛頓物理學(xué)，而不是為了適應(yīng)我們的測量來建立一個(gè)全新的物質(zhì)層。

如果你要改變在太陽系中運(yùn)行得如此之好的自然法則，你需要找到一個(gè)能將太陽系與星系區(qū)分開來的特性。所以我做了一個(gè)不同性質(zhì)的圖表，比如大小、質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度等。我把每一個(gè)參數(shù)放入地球、太陽系和其他一些星系。你是不是認(rèn)為星系比太陽系大得多，所以牛頓定律在距離遠(yuǎn)的星系中不起作用？但如果是這樣的話，你可能會認(rèn)為旋轉(zhuǎn)異常在更大的星系中會更顯著。而事實(shí)上，它不是。所以我把它劃掉了，然后轉(zhuǎn)移到下一個(gè)屬性。

我最終在加速度上找到了突破。這是一個(gè)描述物體速度變化快慢的物理量。

我們通常認(rèn)為地球上的汽車會朝著一個(gè)方向加速，但想象一下旋轉(zhuǎn)的汽車。你一邊旋轉(zhuǎn)一邊加速，否則，你就會掉下來。天上旋轉(zhuǎn)的恒星也一樣。在加速度計(jì)算中，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很大的不同，正是這個(gè)不同證明了修正的牛頓物理學(xué)：環(huán)繞太陽旋轉(zhuǎn)的地球的正常加速度大約是一個(gè)繞星系中心運(yùn)行的恒星的1億倍。

對于這些小的加速度，修正的牛頓引力理論引入了一個(gè)新的自然常數(shù)，叫作a0。如果你在高中學(xué)過物理，你可能還記得牛頓第二定律：力等于質(zhì)量乘以加速度，也就是F=ma。雖然在處理加速度大于a0（如太陽周圍的行星）時(shí)，這是一個(gè)很好的工具，但是，我建議在加速度明顯降低，甚至低于太陽在銀河系中心旋轉(zhuǎn)的加速度時(shí)，力與加速度的平方成正比，也就是F=ma2/a0。

換句話說，根據(jù)牛頓定律，圍繞星系中心運(yùn)行的恒星的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該會減小恒星離質(zhì)心的距離。如果修正的牛頓引力理論是正確的，它應(yīng)該達(dá)到一個(gè)恒定的值，從而消除了對暗物質(zhì)的需求。

你在普林斯頓高等研究院的同事是怎么看待這一想法的？

我沒有和我在普林斯頓高等研究院的同事分享這些想法。他們會認(rèn)為我很瘋狂。1981年，當(dāng)我已經(jīng)對修正的牛頓引力理論有了清晰的概念時(shí)，就不想讓別人參與進(jìn)來了。可以說，每當(dāng)想到這個(gè)理論的時(shí)候就會變得很瘋狂了。不過，也沒有人愿意參與進(jìn)來，即使我拼命地想要得到他們的支持。

你是35歲的時(shí)候提出修正的牛頓引力理論。

為什么不呢？有什么大不了的？如果某個(gè)理論不起作用了，那就修正它。我并不是要展示自己的勇敢。那時(shí)我非常天真。我想不明白，為什么科學(xué)家和其他人一樣，也受到傳統(tǒng)和利益的影響。

就像托馬斯·庫恩的《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》一樣。

我喜歡那本書。我讀了好幾遍。它向我展示了我的人生故事是如何發(fā)生在歷史上眾多其他科學(xué)家身上的。當(dāng)然，我們會取笑那些曾經(jīng)反對我們現(xiàn)在承認(rèn)是真理的人，但是我們有什么不同嗎？庫恩強(qiáng)調(diào)，這些反對者通常是優(yōu)秀的科學(xué)家，他們有很好的理由去反對。只是持不同意見的人通常有一個(gè)獨(dú)特的觀點(diǎn)，那就是大多數(shù)人都不認(rèn)同的東西?，F(xiàn)在我笑了，因?yàn)樾拚呐ｎD引力理論已經(jīng)取得了這樣的進(jìn)步，但是有時(shí)候我也感到沮喪和孤立。

作為一個(gè)特立獨(dú)行的科學(xué)家是什么感覺？

總的來說，在過去的35年里，我一直在鼓吹一種特立獨(dú)行的模式，這是令人興奮和有益的。我是一個(gè)天生的孤獨(dú)者，盡管面對著令人生畏和懷疑的時(shí)代，但比起隨波逐流，我更喜歡特立獨(dú)行。從一開始，我就相信修正的牛頓引力理論是基本正確的，這在很大程度上幫助我從容應(yīng)對這一切。但是對這一理論的反對也給我?guī)砹藘蓚€(gè)巨大的優(yōu)勢：首先，它給了我更多的時(shí)間來為修正的牛頓引力理論做出更多的貢獻(xiàn)，而不是讓周圍的人早早接受我的理論;其次，一旦這個(gè)理論被接受，對它長期和廣泛的反對只會證明它是多么重要。

在普林斯頓高等研究院的休假快要結(jié)束時(shí)，我偷偷地寫了三篇論文，向全世界介紹修正的牛頓引力理論。然而，想要發(fā)表這些論文卻成了難事。一開始，我把我的核心論文寄給了《自然》和《天體物理學(xué)報(bào)》之類的期刊，但都被拒絕了。我花費(fèi)了很長時(shí)間才把三篇論文都發(fā)表在《天體物理學(xué)》雜志上。

第一個(gè)聽到這個(gè)理論的人是我的妻子伊馮。坦率地說，當(dāng)我這么說的時(shí)候，我的眼睛里帶著淚水。伊馮不是一個(gè)科學(xué)家，但她一直是我最大的支持者。

第一個(gè)支持這一理論的科學(xué)家是另一位物理學(xué)家——已故的雅各布·貝肯斯坦教授。他是第一個(gè)提出黑洞應(yīng)該有一個(gè)明確定義的熵的人，后來被稱為“霍金斯- 霍金熵”。在我提交了最初的論文三部曲之后，我把預(yù)印本寄給了幾位天體物理學(xué)家，但雅各布是我第一個(gè)與其討論修正的牛頓引力理論的科學(xué)家。從一開始，他就充滿了熱情和鼓勵。

慢慢地，這種對暗物質(zhì)的反對從兩位物理學(xué)家發(fā)展到了幾百位支持者，至少是越來越多的科學(xué)家開始認(rèn)真對待修正的牛頓引力理論。暗物質(zhì)仍然是科學(xué)界的共識，但是修正的牛頓引力理論已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)勁的對手。它打破了已有的理論概念，就像是在宣稱皇帝并沒有新裝一樣。

那么到底發(fā)生了什么？就暗物質(zhì)而言，什么都沒有發(fā)生。在尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中，包括大型強(qiáng)子對撞機(jī)、許多地下實(shí)驗(yàn)和幾次太空任務(wù)，都未能直接觀測到暗物質(zhì)的存在。然而，到目前為止，修正的牛頓引力理論卻能夠準(zhǔn)確地預(yù)測超過150個(gè)星系的旋轉(zhuǎn)。

所有的星系運(yùn)動都能預(yù)測到嗎？一些論文聲稱，修正的牛頓引力理論無法預(yù)測某些特定星系的運(yùn)動。

這是對的，這是完全正確的，因?yàn)檫@一理論的預(yù)測是基于測量的。鑒于常規(guī)的可見物質(zhì)的分布，修正的牛頓引力理論可以預(yù)測星系的運(yùn)動，但是這個(gè)預(yù)測是建立在我們最初的測量基礎(chǔ)上的。我們通過測量來自星系的光來計(jì)算它的質(zhì)量，但是我們通常不知道這個(gè)星系的距離是多少，所以無法確定這個(gè)星系到底有多大。還有其他的變量，比如分子氣體，我們完全觀測不到。是的，有些星系并不完全符合這一理論的預(yù)測，但總體來說，我們有足夠的數(shù)據(jù)來證明修正的牛頓引力

理論是正確的，這幾乎是一個(gè)奇跡。

你的反對者說，修正的牛頓引力理論最大的缺陷在于它與相對論的不相容。

2004年，貝肯斯坦提出了他的相對引力理論。從那時(shí)起，科學(xué)界陸續(xù)提出了幾個(gè)不同的相對論的公式，包括我提出的修正的牛頓引力理論。

所以，將修正的牛頓引力理論融入愛因斯坦的物理學(xué)已經(jīng)不再是一項(xiàng)挑戰(zhàn)了。我也聽到過這種論調(diào)，但說這句話的人也只是在重復(fù)別人的觀點(diǎn)，他們根本不了解過去10年的發(fā)展情況。雖然現(xiàn)在有幾個(gè)不同的版本，但是仍然存在的挑戰(zhàn)是如何證明修正的牛頓引力理論可以解釋宇宙中存在的質(zhì)量異?，F(xiàn)象。

宇宙學(xué)家經(jīng)常提出的另一個(gè)觀點(diǎn)是：暗物質(zhì)不僅需要在星系內(nèi)運(yùn)動，而且需要更大的運(yùn)動范圍。修正的牛頓引力理論對此有何看法？

根據(jù)大爆炸理論，宇宙在138億年前就開始形成了一個(gè)統(tǒng)一的奇點(diǎn)。而且，就像在星系中一樣，對早期宇宙的宇宙背景輻射的觀測表明，宇宙中所有物質(zhì)的引力不足以形成我們目前看到的不同的模式。暗物質(zhì)再一次被拿出來救場：它沒有輻射，但它確實(shí)吸引了帶有引力的可見物質(zhì)。所以，自20世紀(jì)80年代開始，新的宇宙理論認(rèn)為暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中95%的物質(zhì)。這一新的宇宙理論一直持續(xù)到1998年的爆炸。

事實(shí)證明，宇宙的膨脹在加速，而不是像我們最初想象的那樣減速。任何形式的真實(shí)存在的物質(zhì)，無論黑暗與否，都應(yīng)該減緩加速度。于是暗能量這一概念應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)在公認(rèn)的宇宙理論認(rèn)為宇宙是由70%的暗能量、25%的暗物質(zhì)和5%的常規(guī)物質(zhì)組成的。

但是暗能量只是一個(gè)權(quán)宜之計(jì)，就像暗物質(zhì)一樣。就像在星系中，你可以創(chuàng)造一種全新的能量，然后花費(fèi)數(shù)年時(shí)間去了解它的特性，你也可以嘗試著去修正你的理論。

此外，修正的牛頓引力理論指出，星系和宇宙學(xué)的結(jié)構(gòu)與動力學(xué)之間存在非常深刻的聯(lián)系。這在公認(rèn)的物理學(xué)中是不可能的。星系是宇宙中的微小結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)在不與當(dāng)前宇宙觀相矛盾的情況下可以表現(xiàn)出不同的行為。但是，修正的牛頓引力理論創(chuàng)建了這種連接，綁定了兩者之間的關(guān)系。

這種連接是令人驚訝的：無論出于什么原因，修正的牛頓引力理論的常數(shù)接近于宇宙本身的加速度。事實(shí)上，這個(gè)常數(shù)等于光速的平方除以宇宙的半徑。

所以，事實(shí)上，你指出的這個(gè)難題目前是有效的。目前這一理論還不能完整地解釋宇宙理論，但我們正在研究。一旦我們完全理解了修正的牛頓引力理論，我相信我們也會完全理解宇宙的膨脹，反之亦然。新的宇宙理論也會解釋修正的牛頓引力理論，這是不是非常令人驚訝？

你如何看待將修正的牛頓引力理論與量子力學(xué)融合在一起的統(tǒng)一理論？

這些都可以追溯到我在1999年發(fā)表的論文《修正的牛頓引力理論的真空效應(yīng)》。論文指出，宇宙中的量子真空可能會在星系內(nèi)產(chǎn)生符合修正的牛頓引力理論的行為，宇宙常數(shù)以a0的形式出現(xiàn)。我很高興看到這些提議，特別是因?yàn)樗鼈兪怯蛇@一理論的反對者提出的。重要的是，有著其他背景的研究人員對這一理論感興趣，并提出新的想法，以進(jìn)一步加深我們對其起源的理解。

如果你有一個(gè)統(tǒng)一的物理理論來解釋一切呢？ 你會怎么做？

你知道，我不是一個(gè)虔誠的人，但我經(jīng)常想到我們的小藍(lán)點(diǎn)，以及我們這些物理學(xué)家在這里所做的辛苦工作。誰知道呢？也許在某個(gè)地方，在我畢生研究的那些星系中，已經(jīng)有一個(gè)統(tǒng)一的物理理論，其中有一個(gè)便是修正的牛頓引力理論的變體。但對我來說那又怎樣？我們在做數(shù)學(xué)題時(shí)仍然很開心。即使宇宙從來沒有注意到，我們?nèi)匀挥幸环N激動的心情，試圖把我們的腦袋繞到宇宙中去。