否認暗物質的物理學家

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動？

我非常清楚地記得物理學帶給我的啟發。16歲那年，我認為物理學可以幫助我理解事物如何運作，這一理解遠遠超出了我的同伴。那時候對物理學的研究還沒有一個長期的計劃，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或運動一樣。我做夢也沒想到有一天會有重大發現，比如修正牛頓物理學。

我在學校有一個很棒的物理老師，但是當你學習教科書的時候，你學習的是別人已有的研究成果。你看不到他們在結論不清晰、憑直覺做出推斷、即使出錯也要取得突破性進展時付出的努力。他們不會在學校里教你。他們告訴你科學總是向前發展的：你有一定的知識體系，然后有人發現了一些新的理論，擴充了你的知識。但它并不是這樣的，科學的進步從來不是直線發展的。

你是怎么參與到暗物質的研究中的？

在我博士畢業的時候，這里的物理系想要擴大研究領域。因此，他們讓三位頂尖的、從事粒子物理學研究的博士生選擇一個新的領域。我們選擇了天體物理學，而魏茨曼研究所也在國外組織了一些機構來接收我們這些博士后。為了填補我在天體物理學方面的空白，我去了康奈爾大學。

在研究了幾年的高能天體物理學、空間X 射線輻射物理學之后，我決定轉向另一個領域：星系動力學。幾年后，我第一次詳細測量了環繞螺旋星系旋轉的恒星的速度。但是，測量中存在一個問題。

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

現在，你可能會認為相同的邏輯適用于星系的運動：離星系的中心越遠，旋轉的速度越慢。然而，在較小的半徑上測量是牛頓物理學預測的，從我們在這些星系中看到的質量的引力來看，遙遠的恒星的運動速度比預測的要快得多。在20世紀70年代后期，射電望遠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。這些云層環繞銀河系中心的距離是恒星的5倍，因此這種異常現象逐漸成為主要的科學難題。

解決這個難題的一種方法就是簡單地假設存在更多的物質。如果星系中心的可見質量太少，以致不能解釋恒星和氣體的速度，那么也許還有比我們肉眼所見的更小的物質，我們看不到的物質，即暗物質。

是什么讓你第一次質疑暗物質的存在？

讓我震驚的是一些異常的規律。旋轉速度不僅大于預期，而且隨著半徑的變化而變化。為什么？當然，如果有暗物質，恒星的旋轉速度會更大，但是旋轉曲線，也就是根據半徑的旋轉速度繪制的曲線，仍然可以根據它的分布上下變化。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一直在思考以下問題：如果旋轉速度是恒定的，那么也許我們正在研究一種新的自然規律。如果牛頓物理學不能預測固定的曲線，也許我們應該修正牛頓物理學，而不是為了適應我們的測量來建立一個全新的物質層。

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

我最終在加速度上找到了突破。這是一個描述物體速度變化快慢的物理量。

我們通常認為地球上的汽車會朝著一個方向加速，但想象一下旋轉的汽車。你一邊旋轉一邊加速，否則，你就會掉下來。天上旋轉的恒星也一樣。在加速度計算中，我們發現了一個很大的不同，正是這個不同證明了修正的牛頓物理學：環繞太陽旋轉的地球的正常加速度大約是一個繞星系中心運行的恒星的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新的自然常數，叫作a0。如果你在高中學過物理，你可能還記得牛頓第二定律：力等于質量乘以加速度，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，這是一個很好的工具，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的加速度時，力與加速度的平方成正比，也就是F=ma2/a0。

換句話說，根據牛頓定律，圍繞星系中心運行的恒星的旋轉速度應該會減小恒星離質心的距離。如果修正的牛頓引力理論是正確的，它應該達到一個恒定的值，從而消除了對暗物質的需求。

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。他們會認為我很瘋狂。1981年，當我已經對修正的牛頓引力理論有了清晰的概念時，就不想讓別人參與進來了。可以說，每當想到這個理論的時候就會變得很瘋狂了。不過，也沒有人愿意參與進來，即使我拼命地想要得到他們的支持。

你是35歲的時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。那時我非常天真。我想不明白，為什么科學家和其他人一樣，也受到傳統和利益的影響。

就像托馬斯·庫恩的《科學革命的結構》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生在歷史上眾多其他科學家身上的。當然，我們會取笑那些曾經反對我們現在承認是真理的人，但是我們有什么不同嗎？庫恩強調，這些反對者通常是優秀的科學家，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獨特的觀點，那就是大多數人都不認同的東西。現在我笑了，因為修正的牛頓引力理論已經取得了這樣的進步，但是有時候我也感到沮喪和孤立。

作為一個特立獨行的科學家是什么感覺？

總的來說，在過去的35年里，我一直在鼓吹一種特立獨行的模式，這是令人興奮和有益的。我是一個天生的孤獨者，盡管面對著令人生畏和懷疑的時代，但比起隨波逐流，我更喜歡特立獨行。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對這一切。但是對這一理論的反對也給我帶來了兩個巨大的優勢：首先，它給了我更多的時間來為修正的牛頓引力理論做出更多的貢獻，而不是讓周圍的人早早接受我的理論;其次，一旦這個理論被接受，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束時，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《天體物理學報》之類的期刊，但都被拒絕了。我花費了很長時間才把三篇論文都發表在《天體物理學》雜志上。

第一個聽到這個理論的人是我的妻子伊馮。坦率地說，當我這么說的時候，我的眼睛里帶著淚水。伊馮不是一個科學家，但她一直是我最大的支持者。

第一個支持這一理論的科學家是另一位物理學家——已故的雅各布·貝肯斯坦教授。他是第一個提出黑洞應該有一個明確定義的熵的人，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，我把預印本寄給了幾位天體物理學家，但雅各布是我第一個與其討論修正的牛頓引力理論的科學家。從一開始，他就充滿了熱情和鼓勵。

慢慢地，這種對暗物質的反對從兩位物理學家發展到了幾百位支持者，至少是越來越多的科學家開始認真對待修正的牛頓引力理論。暗物質仍然是科學界的共識，但是修正的牛頓引力理論已經成為一個強勁的對手。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。

那么到底發生了什么？就暗物質而言，什么都沒有發生。在尋找暗物質的實驗中，包括大型強子對撞機、許多地下實驗和幾次太空任務，都未能直接觀測到暗物質的存在。然而，到目前為止，修正的牛頓引力理論卻能夠準確地預測超過150個星系的旋轉。

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

這是對的，這是完全正確的，因為這一理論的預測是基于測量的。鑒于常規的可見物質的分布，修正的牛頓引力理論可以預測星系的運動，但是這個預測是建立在我們最初的測量基礎上的。我們通過測量來自星系的光來計算它的質量，但是我們通常不知道這個星系的距離是多少，所以無法確定這個星系到底有多大。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測，但總體來說，我們有足夠的數據來證明修正的牛頓引力

理論是正確的，這幾乎是一個奇跡。

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。從那時起，科學界陸續提出了幾個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已經不再是一項挑戰了。我也聽到過這種論調，但說這句話的人也只是在重復別人的觀點，他們根本不了解過去10年的發展情況。雖然現在有幾個不同的版本，但是仍然存在的挑戰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量異常現象。

宇宙學家經常提出的另一個觀點是：暗物質不僅需要在星系內運動，而且需要更大的運動范圍。修正的牛頓引力理論對此有何看法？

根據大爆炸理論，宇宙在138億年前就開始形成了一個統一的奇點。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，宇宙中所有物質的引力不足以形成我們目前看到的不同的模式。暗物質再一次被拿出來救場：它沒有輻射，但它確實吸引了帶有引力的可見物質。所以，自20世紀80年代開始，新的宇宙理論認為暗物質構成了宇宙中95%的物質。這一新的宇宙理論一直持續到1998年的爆炸。

事實證明，宇宙的膨脹在加速，而不是像我們最初想象的那樣減速。任何形式的真實存在的物質，無論黑暗與否，都應該減緩加速度。于是暗能量這一概念應運而生。現在公認的宇宙理論認為宇宙是由70%的暗能量、25%的暗物質和5%的常規物質組成的。

但是暗能量只是一個權宜之計，就像暗物質一樣。就像在星系中，你可以創造一種全新的能量，然后花費數年時間去了解它的特性，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，星系和宇宙學的結構與動力學之間存在非常深刻的聯系。這在公認的物理學中是不可能的。星系是宇宙中的微小結構，而這些結構在不與當前宇宙觀相矛盾的情況下可以表現出不同的行為。但是，修正的牛頓引力理論創建了這種連接，綁定了兩者之間的關系。

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接近于宇宙本身的加速度。事實上，這個常數等于光速的平方除以宇宙的半徑。

所以，事實上，你指出的這個難題目前是有效的。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融合在一起的統一理論？

這些都可以追溯到我在1999年發表的論文《修正的牛頓引力理論的真空效應》。論文指出，宇宙中的量子真空可能會在星系內產生符合修正的牛頓引力理論的行為，宇宙常數以a0的形式出現。我很高興看到這些提議，特別是因為它們是由這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，以進一步加深我們對其起源的理解。

如果你有一個統一的物理理論來解釋一切呢？ 你會怎么做？

你知道，我不是一個虔誠的人，但我經常想到我們的小藍點，以及我們這些物理學家在這里所做的辛苦工作。誰知道呢？也許在某個地方，在我畢生研究的那些星系中，已經有一個統一的物理理論，其中有一個便是修正的牛頓引力理論的變體。但對我來說那又怎樣？我們在做數學題時仍然很開心。即使宇宙從來沒有注意到，我們仍然有一種激動的心情，試圖把我們的腦袋繞到宇宙中去。