暗物质是什么？一部分科学家否认暗物质真的存在

伤我心太深

　　暗物质是什么？为什么现在有些科学家否认暗物质的存在【文/飞碟探索】
　　是什么激励着你用毕生的精力来研究恒星的运动?


　　我非常清楚地记得物理学带给我的启发。16岁那年，我认为物理学可以帮助我理解事物如何运作，这一理解远远超出了我的同伴。那时候对物理学的研究还没有一个长期的计划，只是每天都很有兴趣。我只是喜欢物理，就像其他人喜欢艺术或运动一样。我做梦也没想到有一天会有重大发现，比如修正牛顿物理学。


　　我在学校有一个很棒的物理老师，但是当你学习教科书的时候，你学习的是别人已有的研究成果。你看不到他们在结论不清晰、凭直觉做出推断、即使出错也要取得突破性进展时付出的努力。他们不会在学校里教你。他们告诉你科学总是向前发展的：你有一定的知识体系，然后有人发现了一些新的理论，扩充了你的知识。但它并不是这样的，科学的进步从来不是直线发展的。


　　你是怎么参与到暗物质的研究中的?


　　在我博士毕业的时候，这里的物理系想要扩大研究领域。因此，他们让三位顶尖的、从事粒子物理學研究的博士生选择一个新的领域。我们选择了天体物理学，而魏茨曼研究所也在国外组织了一些机构来接收我们这些博士后。为了填补我在天体物理学方面的空白，我去了康奈尔大学。


　　在研究了几年的高能天体物理学、空间X 射线辐射物理学之后，我决定转向另一个领域：星系动力学。几年后，我第一次详细测量了环绕螺旋星系旋转的恒星的速度。但是，测量中存在一个问题。


　　要理解这个问题，你的大脑需要围绕一些天体的旋转来思考。我们的行星围绕太阳运行，而太阳又绕着银河系的中心运行。在太阳系内部，来自太阳质量的引力和行星的速度是平衡的。根据牛顿定律，这就是为什么我们太阳系最内侧的行星——水星——以16万千米/时的速度绕太阳运行，而最外层的海王星以1.6万千米/时的速度“爬行”。


　　现在，你可能会认为相同的逻辑适用于星系的运动：离星系的中心越远，旋转的速度越慢。然而，在较小的半径上测量是牛顿物理学预测的，从我们在这些星系中看到的质量的引力来看，遥远的恒星的运动速度比预测的要快得多。在20世纪70年代后期，射电望远镜能够探测和测量星系外围的冷气云，于是观测到的差距变得更大了。这些云层环绕银河系中心的距离是恒星的5倍，因此这种异常现象逐渐成为主要的科学难题。


　　解决这个难题的一种方法就是简单地假设存在更多的物质。如果星系中心的可见质量太少，以致不能解释恒星和气体的速度，那么也许还有比我们肉眼所见的更小的物质，我们看不到的物质，即暗物质。


　　是什么让你第一次质疑暗物质的存在?


　　让我震惊的是一些异常的规律。旋转速度不仅大于预期，而且随着半径的变化而变化。为什么?当然，如果有暗物质，恒星的旋转速度会更大，但是旋转曲线，也就是根据半径的旋转速度绘制的曲线，仍然可以根据它的分布上下变化。但是它们却没有。这让我觉得很奇怪。所以，1980年，我在普林斯顿高等研究院休假时一直在思考以下问题：如果旋转速度是恒定的，那么也许我们正在研究一种新的自然规律。如果牛顿物理学不能预测固定的曲线，也许我们应该修正牛顿物理学，而不是为了适应我们的测量来建立一个全新的物质层。





　　如果你要改变在太阳系中运行得如此之好的自然法则，你需要找到一个能将太阳系与星系区分开来的特性。所以我做了一个不同性质的图表，比如大小、质量、旋转速度等。我把每一个参数放入地球、太阳系和其他一些星系。你是不是认为星系比太阳系大得多，所以牛顿定律在距离远的星系中不起作用?但如果是这样的话，你可能会认为旋转异常在更大的星系中会更显著。而事实上，它不是。所以我把它划掉了，然后转移到下一个属性。


　　我最终在加速度上找到了突破。这是一个描述物体速度变化快慢的物理量。


　　我们通常认为地球上的汽车会朝着一个方向加速，但想象一下旋转的汽车。你一边旋转一边加速，否则，你就会掉下来。天上旋转的恒星也一样。在加速度计算中，我们发现了一个很大的不同，正是这个不同证明了修正的牛顿物理学：环绕太阳旋转的地球的正常加速度大约是一个绕星系中心运行的恒星的1亿倍。


　　对于这些小的加速度，修正的牛顿引力理论引入了一个新的自然常数，叫作a0。如果你在高中学过物理，你可能还记得牛顿第二定律：力等于质量乘以加速度，也就是F=ma。虽然在处理加速度大于a0(如太阳周围的行星)时，这是一个很好的工具，但是，我建议在加速度明显降低，甚至低于太阳在银河系中心旋转的加速度时，力与加速度的平方成正比，也就是F=ma2/a0。
　　换句话说，根据牛顿定律，围绕星系中心运行的恒星的旋转速度应该会减小恒星离质心的距离。如果修正的牛顿引力理论是正确的，它应该达到一个恒定的值，从而消除了对暗物质的需求。





　　你在普林斯顿高等研究院的同事是怎么看待这一想法的?


　　我没有和我在普林斯顿高等研究院的同事分享这些想法。他们会认为我很疯狂。1981年，当我已经对修正的牛顿引力理论有了清晰的概念时，就不想让别人参与进来了。可以说，每当想到这个理论的时候就会变得很疯狂了。不过，也没有人愿意参与进来，即使我拼命地想要得到他们的支持。


　　你是35岁的时候提出修正的牛顿引力理论。


　　为什么不呢?有什么大不了的?如果某个理论不起作用了，那就修正它。我并不是要展示自己的勇敢。那时我非常天真。我想不明白，为什么科学家和其他人一样，也受到传统和利益的影响。


　　就像托马斯·库恩的《科学革命的结构》一样。





　　我喜欢那本书。我读了好几遍。它向我展示了我的人生故事是如何发生在历史上众多其他科学家身上的。当然，我们会取笑那些曾经反对我们现在承认是真理的人，但是我们有什么不同吗?库恩强调，这些反对者通常是优秀的科学家，他们有很好的理由去反对。只是持不同意见的人通常有一个独特的观点，那就是大多数人都不认同的东西。现在我笑了，因为修正的牛顿引力理论已经取得了这样的进步，但是有时候我也感到沮丧和孤立。


　　作为一个特立独行的科学家是什么感觉?


　　总的来说，在过去的35年里，我一直在鼓吹一种特立独行的模式，这是令人兴奋和有益的。我是一个天生的孤独者，尽管面对着令人生畏和怀疑的时代，但比起随波逐流，我更喜欢特立独行。从一开始，我就相信修正的牛顿引力理论是基本正确的，这在很大程度上帮助我从容应对这一切。但是对这一理论的反对也给我带来了两个巨大的优势：首先，它给了我更多的时间来为修正的牛顿引力理论做出更多的贡献，而不是让周围的人早早接受我的理论;其次，一旦这个理论被接受，对它长期和广泛的反对只会证明它是多么重要。


　　在普林斯顿高等研究院的休假快要结束时，我偷偷地写了三篇论文，向全世界介绍修正的牛顿引力理论。然而，想要发表这些论文却成了难事。一开始，我把我的核心论文寄给了《自然》和《天体物理学报》之类的期刊，但都被拒绝了。我花费了很长时间才把三篇论文都发表在《天体物理学》杂志上。





　　第一个听到这个理论的人是我的妻子伊冯。坦率地说，当我这么说的时候，我的眼睛里带着泪水。伊冯不是一个科学家，但她一直是我最大的支持者。
　　第一个支持这一理论的科学家是另一位物理学家——已故的雅各布·貝肯斯坦教授。他是第一个提出黑洞应该有一个明确定义的熵的人，后来被称为“霍金斯- 霍金熵”。在我提交了最初的论文三部曲之后，我把预印本寄给了几位天体物理学家，但雅各布是我第一个与其讨论修正的牛顿引力理论的科学家。从一开始，他就充满了热情和鼓励。

　　慢慢地，这种对暗物质的反对从两位物理学家发展到了几百位支持者，至少是越来越多的科学家开始认真对待修正的牛顿引力理论。暗物质仍然是科学界的共识，但是修正的牛顿引力理论已经成为一个强劲的对手。它打破了已有的理论概念，就像是在宣称皇帝并没有新装一样。


　　那么到底发生了什么?就暗物质而言，什么都没有发生。在寻找暗物质的实验中，包括大型强子对撞机、许多地下实验和几次太空任务，都未能直接观测到暗物质的存在。然而，到目前为止，修正的牛顿引力理论却能够准确地预测超过150个星系的旋转。


　　所有的星系运动都能预测到吗?一些论文声称，修正的牛顿引力理论无法预测某些特定星系的运动。


　　这是对的，这是完全正确的，因为这一理论的预测是基于测量的。鉴于常规的可见物质的分布，修正的牛顿引力理论可以预测星系的运动，但是这个预测是建立在我们最初的测量基础上的。我们通过测量来自星系的光来计算它的质量，但是我们通常不知道这个星系的距离是多少，所以无法确定这个星系到底有多大。还有其他的变量，比如分子气体，我们完全观测不到。是的，有些星系并不完全符合这一理论的预测，但总体来说，我们有足够的数据来证明修正的牛顿引力理论是正确的，这几乎是一个奇迹。




　　你的反对者说，修正的牛顿引力理论最大的缺陷在于它与相对论的不相容。

　　2004年，贝肯斯坦提出了他的相对引力理论。从那时起，科学界陆续提出了几个不同的相对论的公式，包括我提出的修正的牛顿引力理论。
　　所以，将修正的牛顿引力理论融入爱因斯坦的物理学已经不再是一项挑战了。我也听到过这种论调，但说这句话的人也只是在重复别人的观点，他们根本不了解过去10年的发展情况。虽然现在有几个不同的版本，但是仍然存在的挑战是如何证明修正的牛顿引力理论可以解释宇宙中存在的质量异常现象。


　　宇宙学家经常提出的另一个观点是：暗物质不仅需要在星系内运动，而且需要更大的运动范围。修正的牛顿引力理论对此有何看法?


　　根据大爆炸理论，宇宙在138亿年前就开始形成了一个统一的奇点。而且，就像在星系中一样，对早期宇宙的宇宙背景辐射的观测表明，宇宙中所有物质的引力不足以形成我们目前看到的不同的模式。暗物质再一次被拿出来救场：它没有辐射，但它确实吸引了带有引力的可见物质。所以，自20世纪80年代开始，新的宇宙理论认为暗物质构成了宇宙中95%的物质。这一新的宇宙理论一直持续到1998年的爆炸。


　　事实证明，宇宙的膨胀在加速，而不是像我们最初想象的那样减速。任何形式的真实存在的物质，无论黑暗与否，都应该减缓加速度。于是暗能量这一概念应运而生。现在公认的宇宙理论认为宇宙是由70%的暗能量、25%的暗物质和5%的常规物质组成的。


　　但是暗能量只是一个权宜之计，就像暗物质一样。就像在星系中，你可以创造一种全新的能量，然后花费数年时间去了解它的特性，你也可以尝试着去修正你的理论。
　　此外，修正的牛顿引力理论指出，星系和宇宙学的结构与动力学之间存在非常深刻的联系。这在公认的物理学中是不可能的。星系是宇宙中的微小结构，而这些结构在不与当前宇宙观相矛盾的情况下可以表现出不同的行为。但是，修正的牛顿引力理论创建了这种连接，绑定了两者之间的关系。


　　这种连接是令人惊讶的：无论出于什么原因，修正的牛顿引力理论的常数接近于宇宙本身的加速度。事实上，这个常数等于光速的平方除以宇宙的半径。
　　所以，事实上，你指出的这个难题目前是有效的。目前这一理论还不能完整地解释宇宙理论，但我们正在研究。一旦我们完全理解了修正的牛顿引力理论，我相信我们也会完全理解宇宙的膨胀，反之亦然。新的宇宙理论也会解释修正的牛顿引力理论，这是不是非常令人惊讶?


　　你如何看待将修正的牛顿引力理论与量子力学融合在一起的统一理论?


　　这些都可以追溯到我在1999年发表的论文《修正的牛顿引力理论的真空效应》。论文指出，宇宙中的量子真空可能会在星系内产生符合修正的牛顿引力理论的行为，宇宙常数以a0的形式出现。我很高兴看到这些提议，特别是因为它们是由这一理论的反对者提出的。重要的是，有着其他背景的研究人员对这一理论感兴趣，并提出新的想法，以进一步加深我们对其起源的理解。


　　如果你有一个统一的物理理论来解释一切呢? 你会怎么做?

　　你知道，我不是一个虔诚的人，但我经常想到我们的小蓝点，以及我们这些物理学家在这里所做的辛苦工作。谁知道呢?也许在某个地方，在我毕生研究的那些星系中，已经有一个统一的物理理论，其中有一个便是修正的牛顿引力理论的变体。但对我来说那又怎样?我们在做数学题时仍然很开心。即使宇宙从来没有注意到，我们仍然有一种激动的心情，试图把我们的脑袋绕到宇宙中去。