“我們既然花了不到一年幹掉了熱暗物質，現在讓我們再花幾個月時間幹掉冷暗物質吧。”
那是1982年，從那之後的30年，我仍然在試圖幹掉冷暗物質模型。我最終沒有能夠幹掉冷暗物質，而研究它成了我的職業。
Carlos Frenk 是一位出生於墨西哥的英國科學家。他1976年在墨西哥國立自治大學（National Autonomous University of Mexico）獲得學士學位，於1981年在劍橋大學獲得天體物理的博士學位。在上世紀八十年代，Carlos Frenk和合作者Marc Davis，George Efstathiou，Simon White一起用計算機數值模研究宇宙的大尺度結構形成，給出了宇宙由冷暗物質主導的決定性證據。2001年Frenk建立了杜倫大學計算宇宙學中心，成為了第一任中心主任（直到現在仍然是），並擔任Ogden基礎物理講席教授（由Peter Ogden捐贈設立）。他在2004年被選為英國皇家學會會士。Frenk一生獲得過眾多榮譽，包括皇家學會金質獎章（英國最重要科學榮譽），Gruber獎（宇宙學領域最重要獎項）。
在這篇專訪中，Carlos Frenk細述了他的科研之路，以及他對中國天文學的觀察與建議。
問=李然
答=Carlos Frenk
想要研究“為什麼”
問：據我所知你讀過不同的本科專業，你最終為什麼選擇了天文領域呢？
答：是的，最開始的時候，我學習了三個學期的工程，然後意識到自己相比於學習“怎麼做”，更想要研究“為什麼”。之後，我學習了物理，同時我也學習了文學專業。但是我最終沒有得到文學專業的文憑，因為我沒有去寫論文。
有一個時期，我沒有辦法決定，是想要做天文學、粒子物理、還是相對論。在墨西哥，你要完成一個本科的學業，你需要去做一個本科論文。我發現天文學論文要比粒子物理或者相對論的論文更有意思。
我的本科論文是關於繞轉的黑洞和恆星，恆星會向黑洞傳輸相對論性運動的物質。那是1974年，這樣的研究還比較新奇。論文結束後，我的導師跟我說，你應該去做一個天文的博士。這時候我遇到了Martin Rees（著名天文學家，曾任英國皇家學會主席，當時是劍橋天文研究所主任），他說：來劍橋吧，你應該到劍橋去讀一個博士。我就這樣去了劍橋。
圖1. 學生時代的Carlos Frenk
問：劍橋大學是一個非常有名的大學，可能是全世界最有名的幾所大學之一，嗯，那麼你有沒有什麼在劍橋大學非常深刻的回憶呢？
答：劍橋是世界第二好的學校，杜倫是第一好的（笑）。劍橋這個地方有我非常多的記憶，嗯，我可以講很多的。其中一個我想要講的是，第一次到劍橋的時候，Martin Rees見到我，帶我去吃午飯。
他是天文研究所的負責人，那時候是Martin Rees教授，當然，現在他是Martin Rees爵士。他去帶我吃飯，然後他給我買了午飯，但是他當時的表情就好像是在說，不要以為我每天都會給你買午飯。之後我們一起走回劍橋，他為我打開門說：“ 之後的三年，我們會每天見到你，直到你帶來你的博士論文。”我當時非常的無知。我說：“什麼是博士論文？”Martin Rees說：“自己去搞明白吧！”
當我是學生的時候，劍橋的研究生並沒有一個所謂的研究課題，你只是有一個導師。我幾乎很少見到我的導師，我幾乎也沒有和他一起工作過。學生們自己去找到題目，找到問題，並且想辦法去解決它，並且把它寫成一個論文。這一切在三年裡面完成。我想現在的導師們不再這麼做了，他們會給學生課題，但在當時，你可以做任何你想做的事情。所以我當時做的事情是去聽不同的報告，其中有一個我記得很清楚，那是1977年，我去聽了一個星系合併的報告。
但那個時候並沒有很多人相信星系會合並，也沒有多少人相信暗物質。即使James Peebles（宇宙學家，在宇宙微波背景輻射發現，宇宙結構形成，暗物質等方面具有巨大貢獻）也不是完全的相信暗物質存在。
當時我想的一件事情是利用球狀星團來尋找暗物質，因為球狀星團可以用來作為運動學示蹤粒子來稱量銀河系的重量。所以我去參加了這個星系合併的報告。
我和Simon White（天文學家，現代星系形成理論的奠基人和主要推手之一, 當時他博士畢業不久）討論星團，我問他如果兩個星系合併的話，那它們裡邊的球狀星團會怎麼樣？Simon看著我說，哦，這非常的明顯，但沒有解釋。但第二天，他回來找到我說，哦，這可能不那麼明顯。於是我們就開始研究球狀星團了。我最終想要做的是利用球狀星團來稱量銀河系，來研究銀河系的重量。
我想，我的博士論文是證明銀河系中確實包含暗物質的第一個現代證據。因為這些球狀星團的運動速度非常的快，所以它們的存在意味著銀河系裡面有非常多的物質，比我們看到的更多。但是，當時人們依然不是非常地相信暗物質是存在的。即使認為暗物質存在的人也會說，它們可能是一些小的、暗淡的恆星。
這個工作還牽扯到另一個我對劍橋印象深刻的地方。你知道Donald Lynden-Bell教授嗎？他是當時最出名的天文學家之一，是個天才。他對我說：“我有一個想法，是上次我們討論的時候你啟發我的，關於球狀星團的動力學。你看，我已經把這個問題解決了，論文也寫好了。因為最初你啟發了我，所以你應該作為論文的作者之一。”
一般來說，導師是出點子的人，學生完成工作，所以一般學生是資淺作者，名字排第一，而導師做第二作者。Lynden-Bell對我說：“不過這次是你給的主意，我做的工作，所以論文的署名是會是Lynden-bell和Frenk。我是資淺作者，而你是資深作者。” 這是我關於劍橋很難忘的事情，一個著名的教授對我說，你給了我想法，我做了工作，所以你是論文的資深作者。
沒能幹掉冷暗物質
問：在你的職業生涯中，大量工作是關於冷暗物質模型的，事實上你是冷暗物質模型最重要的推手之一。你在80年代的工作，從宇宙結構形成的角度證明了宇宙可能是冷暗物質構成的。你能否聊一聊這個工作，為什麼你會關注暗物質的“溫度”，這有什麼重要性？
答：我先告訴你為什麼會對此感興趣。在我完成了劍橋大學的博士論文後，我和Simon White都去了美國加州大學伯克利分校工作。這裡和歐洲完全不一樣，我開始感覺有很強的文化衝擊，尤其是我剛從劍橋這種中世紀風格的地方離開。
我在伯克利的老闆叫Marc Davis，剛剛從哈佛來到伯克利。在哈佛大學時，他做了一個非常棒的星系觀測項目，叫做CfA巡天，就是對一塊天空的所有星系拍照，並且測量它們的距離，這樣就有了臨近宇宙的地圖。在這張地圖上，你看到星系的空間分佈形成了非常奇怪的形態，看起來像是網絡，現在人們把它叫做“宇宙網（cosmic web）”。這是人們第一次真正地看到宇宙大尺度結構的纖維結構。
我到伯克利的第一天，Marc來到我的辦公室，把星系巡天的結果拿給我，然後說：歡迎你，你的工作就是告訴我們為什麼星系是這樣分佈的。宇宙網的起源是什麼？我開始撓頭，完全不知道該怎麼做。不過經過之後和Simon White的討論，我們意識到需要進行計算機數值模擬。
應該怎麼做呢？我們需要知道模擬開始的狀態，也就是初始條件。大多數人在當時只是把粒子隨機的放在一定尺度的盒子裡，讓它們演化。但要設定初始條件，你就需要知道暗物質是什麼。當時在科學界，如果你說起暗物質，人們會對你微笑，如果你提起暗物質應該是一種基本粒子，人們會開始大笑。但是有幾個科學家開始認真考慮暗物質可能是基本粒子，例如中微子。
那是1981年，東西方在冷戰，鐵幕阻止了科學交流。不過有人從蘇聯帶回了幾篇文章。這中間有一篇是Lyubimov、Novikov等4個人寫的，他們說測到了中微子的質量是30電子伏特。我們今天知道這個數字是錯誤的，但當時不知道。30電子伏特的中微子意味著所有暗物質都是中微子。所以我們決定要做一個關於中微子的計算機數值模擬。
蘇聯科學家也做了自己的數值模擬（Klypin and Shandarin 1983），但因為是冷戰期間，他們沒有辦法得到最好的計算機。不過他們的文章被一些人“走私”回了美國。Marc Davis不知怎麼得到了這些文章，他把文章給我說：看看這些文章。我說：這些是俄文…… Marc說：我知道。看，這裡有公式，你會搞明白的。於是我花了很大功夫，最終搞明白了蘇聯人是如何做數值模擬的。
所以我們做了關於熱暗物質的數值模擬。結果出來以後，我比較樂觀，對大家說：看，我們的計算機模擬出了CfA巡天中的那些纖維結構。但是Simon說，哦，這些確實是纖維結構，但是它們看起來太大了，和巡天中的不一樣。有些東西出問題了。
圖2. 右圖是1984年Carlos Frenk等人計算的熱暗物質宇宙中大尺度結構形態，左圖是CfA觀測利用星系描繪出的宇宙大尺度結構。熱暗物質宇宙中的宇宙結構看上去比真實宇宙中結構粗的多。
今天，我們把以中微子為代表的暗物質稱作“熱暗物質”。這種暗物質粒子非常輕，在宇宙早期運動速度非常快，所以人們稱它是“熱”的。在那個時候，包括Dick Bond（理論物理學家）在內的幾個人在理論上提出，暗物質不一定要是“熱”的，也可以是冷暗物質，或者是“溫”的。
和熱暗物質相對，冷暗物質的粒子質量很大，運動很慢。如果暗物質粒子是熱的，它們就會以相對論速度運動，將宇宙中可能存在的小尺度的密度擾動抹平。但是在冷暗物質宇宙中，暗物質粒子運動速度很慢，不會使得小尺度的密度擾動消失。
另外，在熱暗物質宇宙中，大的天體結構先形成，最先形成的結構會是星系團。而在冷暗物質宇宙中，最先形成的是很小的結構，小結構會慢慢成長為更大的結構。
這就是為什麼我們最初的數值模擬沒有給出正確的結果。在小尺度上的擾動被熱暗物質消除掉了，所以形成的結構太大了，看起來和真實宇宙不一樣。Simon White去莫斯科做了報告，展示了我們的結果，他說：看，數值模擬的結果和觀測不一樣。偉大的Yakov Zeldovich（蘇聯天體物理學家）在場，他比Simon要矮一些，很熱情的摟著Simon的肩膀說：“嗨，夥計這不過是個3〜5倍差別，有什麼關係！”但是這個3〜5倍的差別確實幹掉了熱暗物質。
在這時，Dick Bond、James Bardeen（美國物理學家）等人也計算出了冷暗物質宇宙的初始條件。於是我對Simon White說，我們既然花了不到一年幹掉了熱暗物質，現在讓我們再花幾個月時間幹掉冷暗物質吧。那是1982年，從那之後的30年，我仍然在試圖幹掉冷暗物質模型（笑）。
我最終沒有能夠幹掉冷暗物質，而研究它成了我的職業。
圖3. 年輕時的Dick Bond（左），Carlos Frenk（中），Simon White（右）
還有一件重要的事情是關於數值模擬程序。中微子的計算很簡單直接，但是當計算冷暗物質時我們需要一套更好的程序，因為冷暗物質宇宙中有多得多的結構形成。我在劍橋大學的朋友George Efstathiou，正好有一套適合的程序，所以我們邀請他來到伯克利3個月, Marc、Simon、George和我們一起開始工作。
就在這個時候，一臺大型計算機正好在1982年冬天11月份抵達了伯克利。這臺計算的機能，也許不如今天的一個智能手機，但是當時它非常的巨大，填滿了整個屋子，非常複雜，沒有人知道怎麼使用它。所有人都去過感恩節和聖誕節，我想我正好可以趁著這個機會來學會使用它，我可以獨佔這個電腦。所以我在2天中學會了使用它，然後用11月、12月和1月三個月來運行我的數值模擬。等到一月份人們回來，他們說：哦，這可不是給你一個人用的，這是大家的機器。但這時候數值模擬已經完成了。
這裡面有一個小插曲。在數值模擬的初始條件中，有一個關鍵的方程叫“轉移函數”。Bardeen是一個天才科學家，他把轉移函數寫在餐廳的一張餐巾紙上，然後給了我。我把這個方程敲進了計算機。但是這個過程中，我犯了一個錯誤，當三個月的計算結束後，我意識到這個錯誤。所以我浪費了加州最好的計算機3個月的時間。
我心情沉重地去Marc的辦公室，告訴他這個錯誤。Marc很嚴肅，但是Simon White站在窗子邊笑。我很生氣，這是我人生中最糟糕的一天，而他在嘲笑我。Simon 手上拿著兩張圖，一張是正確的轉移函數，一張是我錯誤的版本，他對著窗子把兩張對在一起，稍稍錯位後，兩個圖完全重合了。Simon說，你看，轉移函數實際上沒有錯，只是你以為你做了一個50Mpc尺度的數值模擬，實際上你模擬的尺度只有32.5Mpc。Simon 拯救了這一天！所以如果你去看我們的文章，我們做了一個尺度是32.5Mpc的數值模擬（笑），誰會在第一次選擇這個數字呢？最終我們畫出了模擬中的宇宙，和觀測到的真實宇宙非常像。這就是冷暗物質宇宙開始時的故事。
探索各種可能性
問：我注意到你在近年來投入了很大的精力在溫暗物質宇宙的研究中。您認為冷暗物質仍然可能不是最終的答案嗎？
答：這是一個非常有趣的問題。我覺得冷暗物質也許太簡單了，也許它是正確的答案，我們還不知道。我個人對這個問題的態度是非常實際的。我個人非常喜歡冷暗物質，但是作為科學家，需要講求實證。到目前為止，還沒有人發現冷暗物質粒子。冷暗物質模型有很好的粒子物理動機，但並不是唯一的可能性。作為科學家，我覺得我的任務是去探索各種可能性。這就是為什麼我的一些學生在研究溫暗物質，或者自相互作用暗物質模型。
圖4. Carlos Frenk, George Efstathiou, Simon White （從右到左）用手比出CDM三個字母
問：你覺得暗物質本質是否能夠在不久的未來揭開？哪些觀測會是關鍵的？
答：這是個很有意思的問題。不同暗物質模型的區別在哪裡呢？最簡單的情況，比如溫暗物質是惰性中微子，那麼宇宙中微小的結構就不能形成。而在冷暗物質宇宙中，這樣的小結構會非常多。所以如何區分兩者？你需要去尋找這些小東西。問題是非常小的暗物質結構中往往不能形成星系，完全是黑暗的，你怎麼看到它？有一種可以利用的方法是通過強引力透鏡形成的愛因斯坦環。如果宇宙中存在很多小的暗物質結構，不管中間有沒有星系，它可以偏折光線，在愛因斯坦環上留下可以觀測的印記。
當然，最終如果你想要確證暗物質是什麼粒子，你需要做粒子物理實驗，看是否能探測到暗物質粒子。有很多暗物質模型預言的粒子也許完全無法被探測到，但是有一大類冷暗物質模型預言的粒子可以。例如中國的PandaX實驗就試圖這樣來尋找暗物質粒子。另一條路是通過大型粒子加速器，比如LHC。這些加速器會製造粒子，如果你有足夠高的能量，它可以產生暗物質粒子。但這還沒有發生。
最後一種可能是在宇宙中暗物質粒子可能存在它的反粒子，也許就是它自身。如果它們碰撞，就會湮滅，產生伽馬光子。這種現象只可能在暗物質非常密集的地方發生，例如銀河系中心。有的模型預言的暗物質粒子會衰變，發出X-ray光子。有的人聲稱看到了暗物質湮滅信號，也有人聲稱看到了暗物質衰變信號。但絕大多數的人對這些結果非常懷疑，因為這些觀測結果還可能有其他解釋。
科學體系至關重要
問：您和中國有很多聯繫，有很多的中國學生和博士後。您是否覺得中國學生有獨特的地方，有哪些地方仍然需要改進？
答： 和我合作過的學生和博士後有十二三人。我認為中國學生整體水平非常高，有驚人的研究技術。我偶爾有一個或者兩個非常聰明的德國學生或者羅馬尼亞學生，但中國學生水平是整體非常高。
這部分和我們的生源有關，來到杜倫大學的中國學生已經經過了一輪的選擇，他們是經過挑選的好學生。但是，更重要的是中國學生工作非常非常努力，在國內已經接收了非常好的訓練，擁有豐富的研究技巧，不管是物理學還是計算機。他們非常的細緻，也非常的踏實，我總是可以信任他們。
我唯一覺得中國學生也許可以改進的，是在他們剛來的時候，還可以更加大膽一些。但這一點比起我最初接觸的中國學生而言，在這些年已經有很大的改變。我理解在中國很多地方，學術體制還是相對的等級化，教授有很大的權力，當然相對學生也往往更加睿智。學生往往會等待教授對自己工作的評價，即使有的時候這些評價有問題，他們傾向於不說出來。但我知道我自己經常犯錯，我希望自己的學生能夠指出這些錯誤。
所以在我剛見到中國學生的時候，我會對他們說：我肯定會犯錯，如果我錯了，你需要告訴我。這樣漸漸的他們會有自信，開始瞭解到在科學領域，權威不代表任何意義。科學是非常平等的，如果沒有實驗證據，你就不能宣稱自己的科學發現是正確的。你需要去用證據證明自己的結論。所以我覺得中國學生有的時候在看待科學世界的時候也許過於尊重他們的導師和教授了。我認為這是中國可以進步的地方，有更多的自信，更加批判性地看待權威。但我認為這些年，這方面在改善。
圖5. Carlos Frenk 在皇家學會圖書館拿著牛頓製作的望遠鏡。
問：最後一個問題。在您的學生中，很多回到中國成為了教授。您也多次來過中國。您認為中國的天文學發展如何，您認為還存在什麼樣的問題？
答：我大約在二十多年前第一次來中國。毫無疑問的，中國的天文學取得了巨大的進步。我認為中國仍然具有巨大的潛力，因為這裡有非常多的有天分的研究者。我一直和我的很多朋友說，你應該來中國看一看，這裡最終會成為科學研究的No.1。
不過，我認為中國天文學仍然沒有足夠堅實的嚴謹的科學體系。科學體系對於中國的天文學研究變得更好至關重要。在英國，皇家學會在1660年就建立了，已經有358年的歷史。在這個過程中英國科學家學會了如何研究科學，分配科研資源，最大化科學產出。但中國沒有這樣的歷史，沒有健全的科學體系，這當然有很複雜的原因，但重要的是時間，你可以3〜4年訓練一個博士學生，但20〜30年仍然不足以形成科學體系。這需要更多的時間。
例如，當政府向科學提供資金的時候，應當如何分配？我認為中國仍然需要學習最優化的方法。就我個人看到的，在分配中的太多考量不是以惠及科學研究為目的的。行政考量也許太多的涉及到科研分配的細節中。在英國來說，原則是政府把錢給科學家，科學家決定錢的用途，政府在這中間不會發表意見。這被稱作Haldane principle（霍爾丹原則）。這是非常重要的一點。我個人的感覺，在中國不僅僅是頂層，各個層級的行政力量都對科研資金有發言權。所以我認為同行評議制度需要在中國進一步的發展。當然，同行評議需要有足夠多的同行評議者，而中國的積累還需要時間。你需要有足夠多的評議者來建立這個文化。人們需要學習怎麼給出高質量的評議。這並不容易，你需要有資金，你需要有評議者，你需要建立一種文化。
在西方，人們需要評審很多的文章。為什麼要評審？好吧，你可以學到一點東西，但主要是為整個領域盡義務。每一個人都盡力，整個領域很有凝聚力。在中國，人們仍然在建立這種機制的初期。這需要上層和下層的共同努力。從下層說，你需要發展更大的科學家群體，提供更加多樣化的觀點。從上層來說，政府需要建立合理機制使得科學家群體發揮作用。英國花了將近400年時間建立起這個機制，使得科學資源可以得到有效的分配。
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