否認存在暗物質的物理學家

莫德採·米爾格若姆說,大約在魏茨曼科學研究所通過他的辦公室的同事停止。米爾格羅姆(Milgrom)向我們介紹了他,告訴我他的朋友正在大廳附近進行的一個項目中尋找暗物質的證據。

他的同事反駁說:“沒有'暗物質人'和'蒙德人'。”

米爾格羅姆自豪地宣稱:“我是'鑽石人',”他指的是修正的牛頓動力學,他的理論固定牛頓物理學,而不是假設暗物質和暗能量的存在-根據宇宙學的標準模型,這兩件事構成了佔宇宙總質量能的95.1%。

這次友好事件表明(“莫蒂”)米爾格羅姆鎮定自若。這位70歲的物理學家在以色列炎熱的夏天穿著短褲幾乎令人誤解,他興奮的時候柔和的聲音就破裂了。關於他令人愉悅的舉止,沒有任何東西表明他聲稱是糾正牛頓物理學的第三人:首先是馬克斯·普朗克(具有量子理論),然後是愛因斯坦(具有相對論),現在是米爾格羅姆。

今年是米爾格羅姆(Milgrom)在魏茨曼(Weizmann)成立50週年。我到那裡拜訪了他,以瞭解更多關於成為科學特立獨行者的感覺,他對托馬斯·庫恩(Thomas Kuhn)的《科學革命的結構》的欣賞,以及為什麼他認為暗物質和暗能量不存在。


是什麼促使您將生命奉獻給恆星運動?

我非常生動地記得物理學打動我的方式。我16歲那年,我想:這是一種瞭解事物運作方式的方法,遠遠超出了我的同齡人的理解。發現深層事件原因的美,發現隱藏的對稱性的美學,使我著迷。這不是一個長期計劃。這是每天的吸引力。我只是熱愛物理,就像其他人熱愛藝術或體育一樣。我從未夢想過有一天會做出重大發現,例如糾正牛頓。

我在學校有一位了不起的物理老師,但是當您學習教科書材料時,您正在研究已完成的交易。當事情還不清楚,並且進步是憑直覺做出的並且經常出錯時,您仍然看不到做出突破性科學的努力。他們不在學校教你。他們告訴您科學總是向前發展:您擁有知識體系,然後有人發現了某些東西並擴展了這一知識體系。但這並不是真的那樣。科學的進步從來都不是線性的。

您是如何參與暗物質問題的?

在我博士畢業時,這裡的物理系希望擴大。於是他們問了三位頂尖的博士學位。研究粒子物理學的學生選擇了一個新領域。我們選擇了天體物理學,而魏茲曼研究所(Weizmann Institute)與國外機構進行了密切合作,以使他們接受我們作為博士後的資格。所以我去了康奈爾大學,填補了我在天體物理學領域的空白。

“發現事件的深層原因之美,發現隱藏的對稱性之美,使我著迷。”

在高能天體物理學領域工作了幾年之後,我從事了空間X射線輻射的物理學工作,我決定搬到另一個領域:星系動力學。首次詳細測量繞旋渦星系運行的恆星的速度已經過了幾年。而且,測量存在問題。

要理解此問題,需要將頭纏繞一些天體旋轉。我們的行星繞太陽公轉,而太陽又繞銀河系的中心公轉。在太陽系內部,來自太陽質量的引力與行星的速度處於平衡狀態。根據牛頓定律,這就是為什麼水星是太陽系中最內層的行星,以每小時超過100,000英里的速度繞太陽運行,而最外層的植物海王星則以每小時超過10,000英里的速度爬行。

現在,您可能會假設相同的邏輯適用於星系:恆星離星系中心越遠,繞它旋轉的速度就越慢;然而,儘管在較小的半徑處的測量結果是牛頓物理學所預測的,但事實證明,更遙遠的恆星的運動要比我們在這些星系中看到的質量的引力所預測的快得多。1970年代後期,當射電望遠鏡能夠探測並測量星系外圍的冷氣雲時,觀測到的差距變得更大了。這些雲層繞銀河系中心運行的距離是恆星的五倍,因此異常現象成為一個主要的科學難題。

解決此難題的一種方法是簡單地添加更多的物質。如果在星系中心的可見質量太少而無法解釋恆星和氣體的速度,那麼也許存在的物質比肉眼所見,我們看不見的物質,暗物質還要多。


否認存在暗物質的物理學家

MOND在1981年的《製作米爾格羅姆記》中的註釋。左側的每一行代表一個單獨星系的數據。右邊是MOND預測,它是穿過數據點的線。
莫德海·米爾格羅姆

是什麼使您首先質疑暗物質的存在?

令我震驚的是異常情況中的一些規律性。旋轉速度不僅比預期的要大,而且隨著半徑變得恆定。為什麼?當然,如果有暗物質,恆星的速度會更大,但是旋轉曲線(即根據半徑繪製的旋轉速度)仍會根據其分佈而上下波動。但是他們沒有。那真的讓我感到奇怪。因此,在1980年,我有以下預感在普林斯頓高級研究學院進修休假:如果轉速恆定,那麼也許我們正在研究一種新的自然定律。如果牛頓物理學無法預測固定曲線,那麼也許我們應該修正牛頓,而不是僅僅為了適合我們的測量就組成一類全新的物質。

“暗物質是我們這一代的以太。”

如果您要改變在我們自己的太陽系中運作良好的自然法則,則需要找到一種將太陽系與星系區分開的屬性。因此,我製作了一個具有不同屬性的圖表,例如大小,質量,自轉速度等。對於每個參數,我都會放入地球,太陽系和一些星系。例如,星系比太陽系還要大,那麼也許牛頓定律不會在遠距離上起作用嗎?但是,如果是這樣的話,您會期望在更大的星系中旋轉異常會變得更大,而實際上並非如此。因此,我將其劃掉,然後移至下一個屬性。

我終於以驚人的速度擊中了金子:物體速度變化的速度。

我們通常會想到向同一方向加速的地球汽車,但想像一下旋轉木馬。您可能會轉圈,但仍會加速。否則,您將跌倒。天體旋轉木馬也是如此。在加速度方面,我們發現比例尺存在很大差異,這證明修改牛頓是合理的:繞銀河系中心運行的恆星的正常加速度比繞太陽公轉的地球小約一億倍。

對於那些小的加速度,MOND介紹性質的一個新的常數,稱為一個0。如果您在高中學習物理,您可能還記得牛頓第二定律:力等於質量乘以加速度,即F = ma。雖然與加速度處理更大時相比,這是一個非常好的工具,一個0,如那些圍繞我們的太陽的行星,我建議,在顯著較低的加速度,甚至低於我們圍繞銀河系中心的太陽,力變比例等於加速度的平方,或F = ma 2 / a 0。

“我終於以驚人的速度擊中了金子:物體速度變化的速度。”

換句話說:根據牛頓定律,恆星繞銀河中心的旋轉速度應降低,距恆星距質心越遠。如果MOND是正確的,則應該達到恆定值,從而消除了對暗物質的需求。

您在普林斯頓大學的同事對此有何看法?

我沒有與普林斯頓大學的同事分享這些想法。我害怕碰到瘋了。然後,在1981年,當我已經對MOND有了一個清晰的主意時,我不想讓任何人跳上我的馬車,可以這麼說,當您考慮它時,這甚至更瘋狂。不用說,”他笑著說,“即使我迫切希望他們也沒有人跳上我的馬車。

好吧,當時您35歲,您建議修理牛頓。

為什麼不?有什麼大不了的?如果某些方法不起作用,請修復它。我不是想大膽。當時我很幼稚。我不明白科學家們的習俗和興趣與其他人一樣動搖。

就像托馬斯庫恩的“科學革命的結構”。

我喜歡那本書。我讀了好幾次。它向我展示了生命中的故事是如何發生在歷史上的許多其他科學家身上的。當然,很容易取笑曾經反對我們現在知道的是好的科學的人,但是我們有什麼不同嗎?庫恩強調,這些反對者通常是優秀的科學家,有充分的理由反對。只是持不同政見者通常對其他大多數人沒有的事物具有獨特的觀點。現在,我為之大笑,因為MOND取得了如此進步,但有時我會感到沮喪和孤立。

成為科學特立獨行者感覺如何?

總的來說,過去35年之所以令人興奮和收穫,正是因為我一直提倡一種特立獨行的範式。我天生是一個孤獨的人,儘管時光艱辛而令人生疑,但我還是更喜歡隨大流。從一開始我就對MOND的基本有效性很有信心,這對我的一切發展都起到了很大的幫助,但是對MOND的長期反對有兩個很大的好處:首先,它給了我時間做更多的貢獻到MOND之前,社區早就加入了MOND旅行車。其次,一旦MOND被接受,對它的長期和廣泛的抵制只會證明它是多麼不平凡的想法。

在普林斯頓休假結束時,我秘密撰寫了三篇論文,向世界介紹了MOND。但是,發佈它們是一個完全不同的故事。最初,我將內核論文發送到《自然》和《天體物理學期刊快報》等期刊,但幾乎一時被拒絕。過了很長時間,所有三篇論文並排發表在《天體物理學雜誌》上。

第一個聽說過MOND的人是我的妻子Yvonne。坦白說,當我這樣說時,眼淚落在我的眼中。伊馮娜不是科學家,但她一直是我最大的支持者。

支持MOND的第一位科學家是另一個物理學特立獨行者:已故的雅各布·貝肯斯坦教授(Jacob Bekenstein教授),他最早提出黑洞應該具有定義明確的熵,後來被稱為Bekenstein-Hawking熵。在提交了最初的MOND三部曲之後,我將預印本發送給了一些天體物理學家,但Jacob是我與MOND討論的第一位科學家。他從一開始就充滿熱情和鼓舞。

“我天生孤獨,我更喜歡隨大流。”

毫無疑問,這種對暗物質的微小反對慢慢地從僅有的兩個物理學家發展到數百個擁護者,或者至少是認真對待MOND的科學家。暗物質仍然是科學共識,但是MOND現在是一個強大的反對者,宣稱皇帝沒有衣服,暗物質是我們這一代人的以太。

所以發生了什麼事?至於暗物質,什麼都沒有。尋找暗物質的許多實驗,包括大型強子對撞機,許多地下實驗和幾次太空任務,都未能直接觀察到它的存在。同時,MOND能夠準確地預測越來越多的螺旋星系的旋轉-確切地說,迄今已有150多個星系。

他們全部?一些論文聲稱,MOND無法預測某些星系的動力學。

沒錯,這非常好,因為MOND的預測是基於測量的。僅考慮規則的可見物質的分佈,MOND就可以預測星系的動力學。但是該預測是基於我們的初步測量結果。我們測量從一個星系傳入的光以計算其質量,但是我們經常不確定是否確切地知道該星系的距離,因此我們不確定該星系的真正質量。還有其他我們根本無法觀察到的變量,例如分子氣體。所以是的,有些星系並不完全符合MOND的預測,但總而言之,我們擁有足夠的星系數據來一次又一次地證明MOND,這幾乎是一個奇蹟。

您的對手說MOND的最大缺點是它與相對論物理學不兼容。

2004年,Bekenstein提出了他的TeVeS,即MOND的相對論引力理論。從那時起,提出了幾種不同的相對論的MOND公式,其中包括我所稱的Bimetric MOND或BIMOND。

因此,不,將MOND納入愛因斯坦物理學不再是一個挑戰。我聽到這句話仍然在發表,但只有那些模仿別人的人,他們自己與過去十年的發展並不一致。MOND有幾種相對論版本。仍然面臨的挑戰是證明MOND可以解釋宇宙學中的質量異常。

宇宙學家經常提出的另一種觀點是,暗物質不僅需要在銀河系中運動,而且甚至需要更大的尺度。MOND對此有什麼要說的?

根據大爆炸理論,宇宙始於138億年前的統一奇點。而且,就像在星系中一樣,對早期宇宙的宇宙背景輻射所做的觀察表明,宇宙中所有物質的引力根本不足以在短短13.8的時間內形成我們目前所看到的不同模式,例如星系和恆星十億年。暗物質再次被召救:它不發出輻射,但確實使可見物質引力。因此,從1980年代開始,新的宇宙學教條是,暗物質構成了宇宙中所有物質的驚人的95%。一直持續到1998年炸彈襲擊我們為止。

事實證明,宇宙的膨脹正在加速,而不是像我們所有人最初想象的那樣在減速。任何形式的真實物質,無論是否黑暗,都應減慢加速度。因此,發明了一種全新的實體:黑暗能量。現在公認的宇宙學是,宇宙由70%的暗能量,25%的暗物質和5%的常規物質組成。

但是暗能量只是快速解決方法,與暗物質相同。就像在星系中一樣,您可以發明一種全新的能源,然後花數年時間試圖瞭解其性質,或者可以嘗試修正理論。

MOND尤其指出了星系和宇宙學的結構與動力學之間的深層聯繫。在公認的物理學中這是不期望的。星系是宇宙巨大範圍內的微小結構,這些結構的行為可以有所不同,而不會與當前的宇宙學共識相牴觸。但是,MOND創建此連接,將兩者綁定。

這種連接是令人驚訝:無論出於何種原因,的MOND恆一0接近於表徵宇宙本身的加速度。實際上,MOND的常數等於光速的平方,再除以宇宙半徑。

“但是暗能量只是快速解決方法,與暗物質相同。”

因此,確實,對於您的問題,當前指出的難題是有效的。MOND還沒有足夠的宇宙學,但我們正在努力。一旦我們完全瞭解MOND,我相信我們也會完全瞭解宇宙的膨脹,反之亦然:一種新的宇宙學理論將解釋MOND。那不是太神奇了嗎?

您如何看待提出的統一物理理論,將MOND與量子力學融合在一起?

這些都回溯到我1999年關於“作為真空效應的MOND”的論文時,在那裡有人指出,像我們這樣的宇宙中的量子真空可能在星系內產生MOND行為,宇宙常數以MOND的名義出現。加速度常數a 0。但是我很高興看到這些提議,特別是因為它們是由傳統MOND社區之外的人提出的。來自其他背景的研究人員對MOND感興趣並帶來新的想法以進一步理解我們的起源是非常重要的。

如果您有一個統一的物理學理論來解釋一切,該怎麼辦?然後怎樣呢?

您知道,我不是一個虔誠的人,但是我經常想到我們這個微小的藍點以及物理學家在這裡所做的艱苦工作。誰知道?也許在那裡某個地方,在我一生都在研究的那些星系中,已經有一個已知的統一物理理論,其中內置了MOND的一種變體。但是後來我想:那又如何呢?我們仍然很開心做數學。即使宇宙從來沒有注意到它,我們仍然有嘗試將自己的頭纏繞在宇宙上的激動。


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