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否认暗物质存在的物理学家

已有 2856 次阅读 2020-11-12 11:10 |个人分类:物理学上空的乌云|系统分类:观点评述

否认暗物质存在的物理学家


或许牛顿物理维持运作需要的不是暗物质,而是莫德海·米尔格罗姆。


奥德·卡梅利   作

2017年2月

左   芬   

  2020年10月


Milgrom.jpeg 


是那些暗物质人类中的一个,”莫德海米尔格罗姆说到一个偶然经过他在魏茨曼科学研究院的办公室的同事。米尔格罗姆为我们做了介绍,告诉我他的朋友就在位于大厅底下的一个项目中搜寻暗物质的踪迹。

 

“并没有‘暗物质人类’与‘MOND人类’之分,”他的同事反驳道。

 

“我就是‘MOND人类’,”米尔格罗姆骄傲地声明,这指的是修正的牛顿动力学(Modified Newtonian Dynamics),他的这一理论修正了牛顿物理,而非假定暗物质和暗能量的存在——根据宇宙学的标准模型,这二者占据了宇宙总质量-能量成分的95.1%

 

这个友好的插曲显示了(“莫蒂”)米尔格罗姆平静的堂吉诃德式性格。在这个炎热的以色列夏天里穿着短裤,年届古稀的这位物理学家几乎给人以某种错觉,而一旦兴奋起来他那温和的声音就会迸发出来。他那令人愉快的举止丝毫没有透露出这个人宣称自己是修正牛顿的第三人:首先是马克斯普朗克(用量子理论),接着是爱因斯坦(用相对论),现在是米尔格罗姆。

 

今年是米尔格罗姆在魏茨曼待的第五十个年头。我去那儿拜访了他,想更多地了解他作为一个科学的异见者的感受,他从托马斯·库恩的书科学革命的结构中领会到了什么,以及为什么他认为暗物质和暗能量并不存在

 

是什么激发你去献身于星体的运动?

 

我对物理学是如何触动我的历历在目。我那时16岁,想道:这是理解万事万物如何运作的一种方式,远远超越了我的同辈。我沉醉于找出事件背后深层原因的美感,和发现隐藏对称性的美学。这并非一个长期计划。这只是一种日常的诱惑。我只是喜欢物理,与其他的人们喜欢艺术或体育并无二致。我从未梦想过某一天要做出一项伟大的发现,比如修正牛顿。


在学校时我有一个极好的物理老师,但是当你学习课本上的内容时,你不过在学些陈词滥调而已。你仍然看不到做出科学突破所付出的努力,在情况并不明朗,每一步都是凭直觉做出的,而且常常走错的时候。他们在学校里并不会教你这些。他们教你科学是一直往前的:你有一个知识的主体,然后某人发现了一些东西,从而扩展了知识的主体。然而事情并不是这样运作的。科学的进步从来不是线性的。


你是如何涉及暗物质问题的?

 

在我的博士阶段快结束的时候,这儿的物理系想要扩张。于是他们让研究粒子物理的三个最好的博士生选择一个新的领域。我们选择了天体物理学,然后在魏茨曼研究院的斡旋下,海外的一些研究所接受了我们作为博士后。于是我来到了康奈尔填补我在天体物理方面的空缺。


 

“我沉醉于找出事件背后深层原因的美感,和发现隐藏对称性的美学。”

 

在高能天体物理方面对太空中的X射线辐射物理做了几年研究之后,我决定转到另一个领域:星系动力学。那还是对围绕涡旋星系旋转的恒星速度进行首次精细测量的几年之后。而且,其实,在测量结果中存在着一个问题。

为了理解这个问题,你需要绞尽脑汁去思考一些天体旋转。我们的星球绕着太阳转,太阳又接着绕着银河系中心转。在太阳系内部,太阳质量的牵引力与恒星的速度达到平衡。依照牛顿定律,这就是为什么水星,太阳系最内部的行星,以某小时10万英里的速度绕着太阳公转,而最外侧的行星,海王星,仅仅以每小时1万英里的速度爬行。

于是,你可能会设想同样的逻辑也适用于星系:恒星越远离星系中心,围绕中心转动得越慢;然而,尽管在小半径处观测结果与牛顿物理的预言相符,远处的恒星结果却运动得比我们在这些星系中看见的质量的引力拖拽所预言的快得多。当1970年代晚期射电望远镜能探测和测量星系外围的冷气体云时,观测到的差异变得越来越大。这些云绕星系中心的轨道比恒星远五倍,因此这一反常发展成为一个主要的科学谜团。

解决这一谜题的一种方式就是简单地加入更多物质。如果星系中心的可见质量太少而无法维持恒星和气体的速度,也许存在比呈现在眼前的更多的物质,我们无法看见的物质,暗物质。


MOND.jpg

形成中的MOND

米尔格罗姆1981年的笔记。左图,每一行代表着一个单独的星系的数据。右图

MOND的预言,即从数据点中穿过的直线

莫德海·米尔格罗姆

 

什么让你开始质疑暗物质的存在?

 

迷住我的是这一反常中的某种规则性。转动速度并非仅仅比预期的大些,它们随着半径的增大而变成了常值。为什么?当然,如果存在暗物质,恒星速度也会过大,但旋转曲线,即转动速度作为半径的函数画出的图,仍然可能依赖暗物质的分布而上下起伏。这确实让我感到奇怪。因此,1980年,我来到普林斯顿高等研究院休假时,带着以下的预感:如果转动速度是常值,那么或许我们正目睹着大自然的一种新规律。如果牛顿物理学不能预言修正过的曲线,或许我们应该修正牛顿,而不是仅仅为了符合我们的测量结果而编造一种全新的物质。

 

暗物质是我们这一代的以太。”

 

如果你想要改变在我们自己的太阳系中运作得非常好的自然规律,你必须找出将太阳系与星系区分开来的一种性质。于是我做出了包含不同性质的一张图表,比如尺度,质量,转动速度,等等。对于每一个参数,我放入地球,太阳系以及一些星系。举例来说,星系比太阳系大得多,所以也许牛顿定律在远距离处不再适用?但如果这样,你会预期转动反常在更大的星系中变得更大,然而事实上它并没有。于是我把这一条划掉,转到下一条性质。

 

我最后成功地找出了加速度:物体速度发生改变的步伐。

 

我们通常会想到地面上汽车在同一方向上加速,但设想一下旋转木马。你可以在圆环上运动但仍然在加速。不然的话,你只会甩出去。同样的道理也适用于太空中的旋转木马。而且正是在加速度上我们发现了比例上的巨大差异,从而证实了修改牛顿的做法:恒星围绕星系中心运转的正常加速度比地球围绕太阳的大约小1亿倍。

 

对于如此小的加速度,MOND引入了一个新的自然常数,叫做a0。如果曾在高中时学过物理,你可能会记得牛顿第二定律:力等于质量乘以加速度,即F=ma。在处理比a0大得多的加速度——比如那些行星围绕太阳——时,这是一个完美的工具,而我则提议当加速度显著地小,甚至比太阳围绕银河系中心的加速度还小时,力变得正比于加速度的平方,即F=ma*a/a0

 

“我最后成功地找出了加速度:物体速度发生改变的步伐。”

 

换种方式来说:根据牛顿定律,恒星绕星系中心的转动速度必然随着恒星远离质量中心而递减。而如果MOND是对的,它将达到一个常数值,从而消除了暗物质的必要性。

 

你在普林斯顿的同行们是如何看待所有这些的?

 

“我并没有与我在普林斯顿的同行们分享这些想法。我担心被人看成疯子。然后在1981年,当我已经有了MOND的清晰想法,我不想要任何人跟风,这可以说是更加疯狂,你仔细想一下。不用多说,”他笑了,“根本没有人跟风,哪怕在我极其渴望他们跟的时候。”

 

好吧,你才35岁却提议修正牛顿。

 

为什么不呢?有什么大不了的?如果某样东西不工作了,修好它。我并不想成为勇士。我当时非常天真。我并不明白科学家也会和其他人一样被惯例和兴趣所影响。

 

就像托马斯·库恩的书科学革命的结构》。

 

我珍爱那本书。我读了很多遍。它告诉我我一生的故事历史上已经在许多其他科学家身上发生过了。当然,嘲笑那些曾经反对过我们如今知道是好科学的人们很容易,但我们真的有什么不一样吗?库恩强调这些发对者通常都是好科学家,并且有很好地理由去反对。正是这些反对者们经常对事物持有独特的观点,而大多数其他人并不知道。我现在可以一笑置之,因为MOND已经取得了如此的进展,但曾经我也很多次感到沮丧和孤立。

 

做一个科学的异见者是什么感觉?

 

大体来说,过去的35年激动人心又非常值得恰恰是因为我提倡了一种特立独行的范式。我本质上是一个独来独往的人,因此哪怕是在那些使人气馁和受人质疑的时期,我也不愿追随潮流。我从最开始就对MOND基本的有效性非常自信,这对我从容地接受这一切帮助很大,但是 MOND持续地被敌对也带来了两个好处:首先,如果学界早期就追随MOND的话,我不会有时间对 MOND做出这么多贡献。其次,一旦MOND 被接受了。对它长期而广泛的抵制只会证明这是一个多么不平凡的想法。

 

到了我在普林斯顿的休假结束的时候,我已经偷偷地写下了三篇文章想世界介绍MOND。但是发表它们就完全是另一回事了。最初我将最核心的文章投到像自然天体物理期刊快报 这样的期刊,但它立即被草率地拒绝了。经过了很长一段时间,最终三篇文章一同发表在天体物理期刊 上。

 

听说MOND的第一个人是我的太太伊温妮。坦白讲,每当说到这我都热泪盈眶。伊温妮并非科学家,但却是我最大的支持者。

 

支持MOND的第一个科学家是另一个物理学异见者:已故的雅各布·贝肯斯坦教授,第一个主张黑洞必然有定义明确的熵——后来被称为贝肯斯坦-霍金熵——的人。在我提交了最开始的 MOND三部曲后,我把预印本寄给了几个天体物理学家,而雅各布是我与之讨论MOND的第一个科学家。他从最开始就非常狂热和鼓舞人心。

 

“我本质上是一个独来独往的人,我情愿如此而不愿随波逐流。”

 

缓慢但稳定地,对暗物质的这一个微小的反对派从仅仅两个物理学家成长到几百个支持者,或者说至少严肃对待 MOND的科学家。暗物质仍然是科学界的共识,但MOND如今已经是一个令人敬畏的敌手,声称皇帝并没有穿着衣服,暗物质是我们这一代的以太。

 

后来怎么样呢?说到暗物质,其实没什么。一大堆搜寻暗物质的实验,包括大型强子对撞机,许多地下实验和几个空间任务,都没能直接观测到它的存在。与此同时,MOND 已经能精确的预言越来越多的涡旋星系的转动了——准确地说,至今已超过150个星系。

 

所有的吗?有些文章宣称MOND并不能预言某些星系的动力学。

 

是真的,而这并没有问题,因为MOND 的预言是基于测量结果。只要给定常规可见物质的分布,MOND就能预言星系的动力学。但这一预言是基于我们最初的测量结果。我们测量从一个星系到达的光来计算其质量,但是我们常常不确定星系的距离,因此我们也不能确定星系质量到底多大。并且还有其他可变因素,比如分子气体,我们完全不能观测。所以的确,有些星系并不与MOND的预言完全吻合,但总而言之,近乎奇迹般地,我们已经有了足够多的星系数据来反复不断地证明MOND的正确性。

 

你的反对者们说MOND最大的缺陷是与相对论物理不相容。

 

2004年,贝肯斯坦提出了他的TeVeS,或者说MOND的相对性引力理论。自那以后,几种不同的相对论MOND表述已经被发表了,其中包括我的一种,叫做双度规MOND,或者BIMOND.

 

因此,不是的,将MOND 并入爱因斯坦物理不再是一个挑战。我仍然听到这种言论,但只是从那些鹦鹉学舌者那里,他们自己对过去10年的发展早就跟不上了。已经有了好几种MOND的相对论版本。真正成构挑战的是证实MOND能说明宇宙学中的质量反常。

 

宇宙学家经常引用的另一种论据是暗物质不仅对于星系内的运动,而且在更大的尺度上也是必需的。对此 MOND作何评价?

 

根据大爆炸理论,宇宙诞生于138亿年前的一个均匀的奇点。而且,就像在星系中一样,对来自早期宇宙的宇宙背景辐射进行的观测表明宇宙中所有物质的引力不足以在138亿年内形成我们如今看到的各种不同结构,比如星系和恒星。暗物质再一次地被求救:它不发出辐射,但确实通过引力与可见材料相互作用。因此,从1980年代开始,新的宇宙学教条是,暗物质占据了宇宙所有物质中令人震惊的95%。这整整持续到,哦,1998年那枚重磅炸弹击中我们的时候。

 

结果发现宇宙的膨胀竟然是加速的,并非我们所有人最初设想的减速。任何形式的真正物质,暗的或不暗,都必然减缓加速。于是一种全新的实体被发明出来:暗能量。如今公认的宇宙学是宇宙由70%的暗能量,25%的暗物质,以及5%的常规物质组成。

 

但暗能量也不过是权宜之计罢了,正如同暗物质。而且正像在星系中一样,你也可以要么发明一种全新的能量,然后花许多年试图去理解它的性质,要么你尝试去修正你的理论。

 

此外,MOND指出了星系和宇宙的结构与动力学之间一种非常深刻的关联。在公认物理学中这是意料之外的。星系不过是宇宙的宏观尺度中的微小结构,而这些结构可以在不违背当前宇宙共识的前提下有完全不同的表现。然而,MOND创造了这种联系,将二者绑定在一起。

 

这一关联是惊人的:无论出于何种原因,MOND 常数a0与表征宇宙本身的加速度相近。事实上,MOND常数等于光速平方除以宇宙半径。

 

“但暗能量也不过是权宜之计罢了,正如同暗物质。”

 

因此,的确,对于你的问题,它提出的谜题在当前是存在的。MOND仍然没有一个足够的宇宙学,但我们已经在着手了。而一旦我们完全理解了MOND,我相信我们也会完全理解宇宙的膨胀,反之亦然:一个全新的宇宙学理论将会解释MOND。这不很神奇么?

 

你如何看待人们提出的一些物理学统一理论,其中MOND与量子力学被融合在一起?

 

这些全都可以追溯到我1999年的文章“MOND作为一种真空效应”,其中指出我们宇宙的量子真空可能在星系中产生MOND行为,并且宇宙学常数会以MOND 加速度常数a0的面貌出现。但我很欣慰地看到这些提议的发表,尤其因为它们是由传统意义上的MOND群体以外的人们所作出的。这一点很重要:其他背景的研究者们变得对MOND感兴趣,并且带来新的想法加深我们对其起源的理解。

 

假如我们有了物理学的一个统一理论,可以解释万事万物,将会怎么样呢?下一步怎么办呢?

 

你知道,我不是宗教人士,但我常常思索我们地球这个小蓝点,以及我们物理学家在这儿做的这些艰辛的工作。谁知道呢?或许在外面的某处,在我花了毕生精力研究的这些星系中的一个,已经有了物理学的一个知名的统一理论,MOND 的某个变种就嵌入在其中。但我接着又想:那又怎么样呢?我们仍然可以从做数学中获得乐趣。我们仍然可以试着绞尽脑汁去理解宇宙来获得快感,哪怕宇宙根本就从未注意过。

 

奥德·卡梅利 奥德·卡梅利是以色列特拉维夫市的一个科学杂志记者以及诗人。


 




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1 王安良

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