維拉·魯賓：發現暗物質

陳杜梨 張雷

導語：維拉是一個了不起的科學家和一個令人贊嘆的人，一個開拓性的天文學家，平面旋轉曲線和暗物質之母，女性在科學性研究方面的先驅，世代天文學家的導師和榜樣。

圣誕節似乎在天文學界具有特殊意義，這么說不是因為《圣經》中說的“伯利恒之星”指引東方三賢士找到耶穌的出生地，而是因為偉大的天文學家的生活，或者在那天開始，或者在那天結束。艾薩克·牛頓出生于1642年12月25日，另一個天文學巨星維拉·魯賓于2016年圣誕節去世，維拉對星空的觀測，改變了我們看待宇宙的方式。

艱難的求學生涯

維拉·佛羅倫薩·庫珀1928年7月23日出生在費城。她十歲時與家人一起搬到華盛頓。她的父親是一名電氣工程師，從小鼓勵她觀察星星，小維拉養成了觀察流星雨的習慣，斜倚在臥室的窗前，記住它們劃過天際的軌道。爸爸幫助小維拉用紙筒制作了她的第一臺望遠鏡，小維拉還自己制作萬花筒，雖然她從未見過一個天文學家，但從來她從沒想過自己不能成為一個天文學家。維拉說她的父母非常支持她的職業選擇，但她在1995年接受美國物理學會采訪時說，她的父親曾建議她成為一名數學家，擔心她難以以天文學家的身份謀生。

1945年維拉進入大學時，女性在科學領域仍然不受歡迎。盡管在維拉之前，有些女性進入了天文學領域，但她們的工作往往局限于全女性空間，而且男性同事幾乎不信任不重視她們的工作。但是，有些女性仍然脫穎而出。比如說19世紀的天文學家瑪麗亞·米切爾，2歲的時候，瑪麗亞·米切爾跟爸爸一道記錄了一次日蝕。到29歲時，她發現以自己名字命名的彗星（米切爾小姐彗星），后來米切爾成了瓦薩學院第一批聘請的教授之一。維拉知道了米切爾的故事后，她決定去瓦薩學院。她回憶說，因為米切爾，“我知道有一所學校，女子可以學習天文學，所以……我從來沒有想到我不能成為天文學家。”

但是她的整個職業生涯都將與跟性別歧視作斗爭。維拉小時候從未預料到過會碰到這樣的問題。雖然從10歲起維拉就對天文學充滿熱情。她從沒想過要進入一個男性統治的世界，隨著職業生涯的發展，女性在天文學領域的稀缺性越來越明顯。

高中的時候，當維拉告訴她那受人尊敬的科學老師她獲得了瓦薩學院的獎學金時，他說：“只要遠離科學，你做什么都行。” 維拉回憶說，“聽到這樣的話而不會被擊倒，需要強大的自尊心。”

1947年，她要求看看普林斯頓大學的研究生目錄，院長告訴她不用麻煩了：物理學和天文學不招收女生。普林斯頓直到1975年才準許招收天文學專業的女生。1948年維拉作為唯一一名天文學專業本科生從瓦薩學院畢業。這樣的事情并沒有結束，再后來她的博士生導師大爆炸理論的提出者喬治·加莫說，她不能參加他在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的講座，“因為妻子不被允許參加”。

維拉確實是一位教授的妻子。她在19歲時與羅伯特·魯賓結婚，為了跟隨身為物理學家的丈夫到康奈爾大學，她犧牲了在哈佛的學位。在康奈爾大學，維拉跟隨理查德·費曼和漢斯·貝特（兩人后來都獲得了諾貝爾物理學獎）等物理學界的巨人學習。

20世紀70年代，維拉·魯賓在使用一臺測量儀。

維拉說，他的丈夫是她最偉大的盟友。從康奈爾大學獲得碩士學位之后，因為丈夫的工作調動，維拉選擇去喬治敦大學攻讀博士，因為這是附近唯一授予天文學博士學位的學校。那段時間她在喬治敦大學上夜校，他的丈夫開車把她送到學校，然后在車里吃晚餐，等維拉上完課他再開車送她回家，因為維拉自己不會開車。與此同時，維拉的父母在家中充當臨時保姆照料他們的孩子。盡管有親人相幫，但是維拉還是發現養育四個孩子幾乎把她壓垮了。

在喬治敦大學開始博士學習的時候，維拉23歲，已經生了一個孩子，肚子里還懷著一個。她稱停止學業生涯的六個月是她一生中最糟糕的時期，每當《美國天體物理學》期刊寄到的時候她都忍不住哭泣。

早期發現

維拉從喬治敦大學獲得博士學位，為了養育4個孩子，貼補家用，她在蒙哥馬利縣社區學院和喬治敦大學兼職，最終于1962年成為喬治敦大學的員工。在此工作期間，她獲得了業內的認可，1965年成為第一位允許使用帕洛馬天文臺的女性，并于同年搬到華盛頓，在華盛頓的卡內基研究所，一個非營利科學研究中心工作，維拉余生的職業生涯都在此度過。

維拉博士在2002年告訴《發現》雜志，“在職業生涯的早期，我幾乎都是兼職工作，這樣我在3點鐘就回家，當孩子們從學校回來時，我必須確保自己在家。這幾乎雷打不動。所以我在家里做了很多工作。”她說她從來不檢查孩子的房間，但他們都有很好的發展，四個孩子都有科學方面的博士學位，兩個成了地質學家，一個天文學家，一個數學家。

在維拉職業生涯的初期，她的一些發現挑戰了已有的天文學理論，但她不被重視。維拉的博士論文發表在美國科學院院報上，標題是“Fluctuations in the Space Distribution of the Galaxies"（星系空間分布的漲落）。她發現星系在宇宙中并不是隨機分布的，而是呈現斑塊狀分布。這個觀點直到二十年之后才被廣泛注意，逐漸形成了今天我們所普遍接受的冷暗物質等級成團宇宙學模型。

維拉的碩士論文的課題發現了宇宙膨脹之外的星系運動，星系有可能像恒星一樣繞著一個未知的公轉中心旋轉。她在的康奈爾大學的指導老師說，這篇論文值得提交給美國天文學會，但是鑒于她即將分娩，所以，他建議，由他來提交但是要以他的名字提交。

維拉拒絕了。她的父母從華盛頓趕來，帶著他們22歲的女兒，幫助護理新出生的嬰兒，開始了從紐約州北部到費城的一場艱難的雪地旅行。在天文學年會上，維拉向滿屋子的陌生人，講述了十幾分鐘的星系旋轉問題，得到了一些屈尊附就的批評和一絲贊美，然后離開了。她的這次經歷還被華盛頓郵報給調侃了一番： 報道的標題是“年輕的媽媽數星星發現了宇宙創生的中心”。

這趟旅程不愉快，遭受挫折更感糟糕。但是在整個職業生涯中維拉堅持抗議全男性的會議，全男性的部門，全男性的平臺。維拉在天文學領域的名聲日隆，1963年，她被邀請成為第一位合法地將手放在帕洛馬爾望遠鏡上的女人。1964年，她成為第一位獲得正式批準使用南加州帕洛馬天文臺的女性。在維拉的時代，使用帕洛瑪天文臺的望遠鏡不僅僅是看星星，還是一個進入天文學研究前沿的機會。帕洛馬爾望遠鏡的觀測有助于研究者發現從類星體到超新星爆炸等一系列的宇宙現象。盡管天文臺處于天文學研究的前沿，在某種意義上卻落后于時代：那里禁止女性使用。盡管女性在科學界越來越普遍，但長期以來一直由男性把持的野外考察的工作卻依舊對女性大門緊閉。比如說地質學家瑪麗·薩普就被禁止參加在海上和陸地上進行實地勘測。

1965年，當維拉來到擁有世界聞名的五米口徑海爾反射望遠鏡的帕洛馬天文臺觀測時，她發現那里沒有女性洗手間，當時帕洛馬天文臺被戲稱為修道院，在維拉之前沒有女性天文學家在那里工作過。在帕洛瑪天文臺，維拉在男士洗手間的一個門上貼上了一個她親手剪出來的裙子標志，來制造一個女士房間（一年后她再回來：標志不見了）。維拉后來說，在帕洛瑪天文臺，我“清楚地表明，我知道如何使用望遠鏡”。

發現暗物質

在與地球上的性別歧視進行戰斗的同時，維拉博士還凝視宇宙并觀測200多個星系的旋轉。

1965年維拉·魯賓在洛厄爾天文臺工作。

在其他熱門工作中，男性天文學家將維拉擠到一邊。受夠了歧視之后，維拉決定尋找了一個“人們會感興趣的問題，但是沒有那么感興趣，沒人會在我研究結束之前打擾我”。這樣的問題，很快就被她找到了。1968年維拉經過一番思考之后，做出了一個不同尋常的決定，從熱門的類星體研究中抽身走開，重新回到了星系旋轉曲線的測量中。

20世紀60年代末期，維拉和她的同事肯特·福特一起工作，肯特是一位天文儀器專家，維拉來到卡內基研究所后，他剛剛從威爾遜山天文臺測試他的光電倍增光譜儀回來，這比普通的膠片成像效率提高了近十倍。維拉和肯特相見如故，肯特急需人手幫忙處理光譜以測試倍增管的靈敏度極限，而維拉需要光譜來測量恒星速度，以便繼續研究她感興趣的課題。

他們一起研究銀河旋轉的難題。維拉發現，像仙女座這樣的螺旋星系旋轉得非常快，以這樣的速度，外圍的星球早就應該被甩出銀河系之外了，而事實并非如此，在接下來的幾年中，維拉和福特又測量了另外60個星系中恒星的旋轉速率，得到的結果是一樣的，這表明要么愛因斯坦關于重力的理論是錯的，要么就是還有來自大量不可見物質——暗物質的引力將這些恒星吸引在一起。

在20世紀30年代，一個性格孤僻的瑞士天體物理學家弗里茨·扎維奇提出，閃閃發亮的恒星只是整個宇宙的一部分，還一定存在“暗物質”，雖然看不見但可通過引力的影響間接顯示。這種天才猜想幾乎湮沒無聞，但通過維拉的這一系列工作，暗物質才逐漸從幕后走向了歷史舞臺的中心，慢慢被人信服的廣泛接受，如今成為天文學中最基本的問題。就在維拉和福特掛測仙女座星系的同時，澳大利亞天文學家肯·弗里曼觀測其他螺旋星系也發現了類似的異常。

維拉的發現重塑了宇宙學，盡管最初她的同事們接受起來很不情愿。暗物質的發現徹底改變了科學家觀察，測量和理解宇宙的方式，被認為是20世紀天文學最重要和最根本的進展。1998年維拉在《科學美國人》雜志上寫道：“暗物質對我們理解宇宙的大小，形狀和最終命運非常重要，在未來的幾十年里，尋找它很可能將主宰天文學研究。” 諾貝爾物理學獎到今天已經頒發了100多次了，基本上都是授予了在5%里面做出貢獻的科學家。

直到今天，暗物質還沒有被直接觀察到，其精確成分仍然未知，但科學家認為未被直接觀測到的暗物質占宇宙的25%，而宇宙的5%是恒星，地球，人類等可見的物質，另外的75%是暗能量。許多宇宙的深層秘密仍然有待被眼睛和大腦發現。“在螺旋星系中，暗物質是普通物質的十倍，”維拉說。 “這一比例也適用于未知和我們已經了解的宇宙知識。”魯賓女士認為，人類的天文學研究“剛剛走出幼兒園，大約處于三年級的水平”。

暗物質不為人所見，這是因為除了通過重力之外，暗物質不與正常物質相互作用。幾十年來，大量實驗試圖發現和識別暗物質粒子，但結果證明暗物質是一個狡猾的，難以捉摸的野獸。有天體物理學家將暗物質比喻為恐怖電影中的幽靈，你看不到它，但是你知道它就在你附近，因為它會讓可見的東西變得混亂。

不過也有相反的猜想，20世紀80年代，以色列物理學家提出了一種改進的牛頓動力學，簡稱MOND，這種理論認為，引力強度的衰減與距離呈線性關系，而不是牛頓力學所認為的與距離平方成比例，因此漩渦星系的外圍，質點間的吸引較之牛頓力學所預見的強得多，故改進的牛頓力學說可以取代暗物質說，解釋漩渦星系外圍的穩定性。普林斯頓高級研究院的宇宙學家尼瑪·阿卡尼·哈米德曾經對《紐約客》雜志說，。 “我還是孩子的時候，每月三十個夜晚總有一個晚上，我醒來想一想，哦，我的上帝！有可能是MOND，其他的二十九個夜晚，我會很高興心想有暗物質。后來我成了一名科學家，現在每年里有一天我都會仰望星空，感嘆，我的上帝，也許是MOND。但我不認為這是事實。”

對科學家來說，最糟糕的情況是在未來的十年或一百年內，暗物質仍然是一個謎。暗物質是將人類聚集在一起的大問題，但是要花費一生的時間尋找某種可能找不到的東西，會令天文學感到沮喪。芝加哥費米國家加速器實驗室的休利·平科特說。“問題是，我們不知道我們在找什么， 而且有超過百分之五十的幾率，我們永遠不會找到它。這才是真正可怕的地方。”

可以說，維拉發現了一個宇宙的持久的謎團，此外，她還表達了對宇宙未知的一切深切的理解，“沒有人承諾我們會生活在一個可以揭開宇宙奧秘的時代，宇宙的邊緣遠遠超出我們的把握，”她在書的序言中寫道。“我們已經窺見到了一個新世界，并且已經知道，它遠比我們想象的更神秘更復雜，宇宙中仍然隱藏著非常多的奧秘，它們在發現等待著未來具有冒險精神的科學家去發現，我很高興是這樣。

名聲如浮云

維拉曾經寫道：“我生活和工作有三個基本原則，1）沒有任何一個科學問題是必須由男人來解開，而女人是解決不了。2）全世界范圍內，一半的大腦長在女性身上。3）我們都需要獲得進行科學研究的許可，但是，由于歷史根深蒂固的影響，這種許可證經常給予男性而不是女性。”

維拉博士積極推動女性進入天文學和其他科學領域，在接受《華盛頓郵報》采訪時，她說，問題不是是否有女性想進行科學研究或能否做好科學研究，而是她們是否有這樣的機會。1976年，史密森航空航天博天文館首次公開展示美國天文學發展史，維拉發現這次展覽上都是在展示白人男性的成就后，她游說了好幾個月的時間，要求增加女性的內容（她的努力是不成功的）。

維拉還是迫使華盛頓那個排外的宇宙俱樂部允許女性成員加入的科學家群體中的一員。“宇宙俱樂部”是美國主流社會中的精英聚會場所。歷史上，這一俱樂部成員的私密聚會曾促成了美國國家地理學會的誕生，也曾在二戰中萌生出研發和制造原子彈的曼哈頓計劃。然而，只有到了1988年，通過訴訟程序和威脅召開公開聽證會之后，這個俱樂部才開始接納女會員。維拉并不是第一批加入該俱樂部的女性，但在允許女性加入的十年后，她獲得了宇宙俱樂部頒發的獎章。

維拉還主張普遍的科學素養。“我們需要研究物理學的參議員和了解生態學的代表，”她在1996年的一個公開演講中說。維拉還公開批評美國國家科學院缺少女性成員。她還會見政治家，討論為女孩創造更多機會的必要性。

70多年前維拉剛進入天文學研究領域的時候，清一水全是男性。 但是到了2016年88歲的她去世的時候，情況已經改觀。 這在很大程度上得益于維拉：一位出色的導師和激烈的女性科學倡導者。她因此贏得了同樣的贊譽，普林斯頓大學的女性天文學家內塔·巴克爾說，維拉是一個了不起的科學家和一個令人贊嘆的人，一個開拓性的天文學家，平面旋轉曲線和暗物質之母，女性在科學性研究方面的先驅，世代天文學家的導師和榜樣。

除了暗物質，維拉還有新發現，1992年，維拉發現了NGC 4550星系，這個星系中一半的恒星朝一個方向的軌道旋轉，另一半朝另外的方向旋轉。維拉贏得了多枚獎牌，比如說英國皇家天文學會的金獎（最后授予一位女士是在1828年）和美國國家科學獎章。 眾多大學，包括曾經拒絕她的普林斯頓，授予她榮譽博士學位。

暗物質的發現給維拉帶來了無數榮譽，喝彩令人愉快，但數據更重要，維拉曾說，名聲是浮云， 我的數據比我的名字更重要。如果天文學家多年后仍在引用我的數據，才是對我最大的贊美。很多年里，維拉都是獲得諾貝爾物理學獎的熱門人選，歷史上只有兩位女性獲獎（德裔美籍物理學家瑪麗·戈佩特-邁耶和法國著名波蘭裔科學家居里夫人）。

維拉獲獎的呼聲很高，“從現在開始，我不會參與關于諾貝爾獎的爭論，” 美國約翰霍普金斯大學的行星學家薩拉·赫斯特在推特上說。“我只會說維拉魯賓，然后走開。”但是獲獎電話從未響起。維拉的粉絲感嘆，她非常重要，但容易忽略，就像暗物質。但是，也像暗物質一樣，她讓人感受到了她的影響力。