否认存在暗物质的物理学家

莫德采·米尔格若姆说,大约在魏茨曼科学研究所通过他的办公室的同事停止。米尔格罗姆(Milgrom)向我们介绍了他,告诉我他的朋友正在大厅附近进行的一个项目中寻找暗物质的证据。

他的同事反驳说:“没有'暗物质人'和'蒙德人'。”

米尔格罗姆自豪地宣称:“我是'钻石人',”他指的是修正的牛顿动力学,他的理论固定牛顿物理学,而不是假设暗物质和暗能量的存在-根据宇宙学的标准模型,这两件事构成了占宇宙总质量能的95.1%。

这次友好事件表明(“莫蒂”)米尔格罗姆镇定自若。这位70岁的物理学家在以色列炎热的夏天穿着短裤几乎令人误解,他兴奋的时候柔和的声音就破裂了。关于他令人愉悦的举止,没有任何东西表明他声称是纠正牛顿物理学的第三人:首先是马克斯·普朗克(具有量子理论),然后是爱因斯坦(具有相对论),现在是米尔格罗姆。

今年是米尔格罗姆(Milgrom)在魏茨曼(Weizmann)成立50周年。我到那里拜访了他,以了解更多关于成为科学特立独行者的感觉,他对托马斯·库恩(Thomas Kuhn)的《科学革命的结构》的欣赏,以及为什么他认为暗物质和暗能量不存在。


是什么促使您将生命奉献给恒星运动?

我非常生动地记得物理学打动我的方式。我16岁那年,我想:这是一种了解事物运作方式的方法,远远超出了我的同龄人的理解。发现深层事件原因的美,发现隐藏的对称性的美学,使我着迷。这不是一个长期计划。这是每天的吸引力。我只是热爱物理,就像其他人热爱艺术或体育一样。我从未梦想过有一天会做出重大发现,例如纠正牛顿。

我在学校有一位了不起的物理老师,但是当您学习教科书材料时,您正在研究已完成的交易。当事情还不清楚,并且进步是凭直觉做出的并且经常出错时,您仍然看不到做出突破性科学的努力。他们不在学校教你。他们告诉您科学总是向前发展:您拥有知识体系,然后有人发现了某些东西并扩展了这一知识体系。但这并不是真的那样。科学的进步从来都不是线性的。

您是如何参与暗物质问题的?

在我博士毕业时,这里的物理系希望扩大。于是他们问了三位顶尖的博士学位。研究粒子物理学的学生选择了一个新领域。我们选择了天体物理学,而魏兹曼研究所(Weizmann Institute)与国外机构进行了密切合作,以使他们接受我们作为博士后的资格。所以我去了康奈尔大学,填补了我在天体物理学领域的空白。

“发现事件的深层原因之美,发现隐藏的对称性之美,使我着迷。”

在高能天体物理学领域工作了几年之后,我从事了空间X射线辐射的物理学工作,我决定搬到另一个领域:星系动力学。首次详细测量绕旋涡星系运行的恒星的速度已经过了几年。而且,测量存在问题。

要理解此问题,需要将头缠绕一些天体旋转。我们的行星绕太阳公转,而太阳又绕银河系的中心公转。在太阳系内部,来自太阳质量的引力与行星的速度处于平衡状态。根据牛顿定律,这就是为什么水星是太阳系中最内层的行星,以每小时超过100,000英里的速度绕太阳运行,而最外层的植物海王星则以每小时超过10,000英里的速度爬行。

现在,您可能会假设相同的逻辑适用于星系:恒星离星系中心越远,绕它旋转的速度就越慢;然而,尽管在较小的半径处的测量结果是牛顿物理学所预测的,但事实证明,更遥远的恒星的运动要比我们在这些星系中看到的质量的引力所预测的快得多。1970年代后期,当射电望远镜能够探测并测量星系外围的冷气云时,观测到的差距变得更大了。这些云层绕银河系中心运行的距离是恒星的五倍,因此异常现象成为一个主要的科学难题。

解决此难题的一种方法是简单地添加更多的物质。如果在星系中心的可见质量太少而无法解释恒星和气体的速度,那么也许存在的物质比肉眼所见,我们看不见的物质,暗物质还要多。


否认存在暗物质的物理学家

MOND在1981年的《制作米尔格罗姆记》中的注释。左侧的每一行代表一个单独星系的数据。右边是MOND预测,它是穿过数据点的线。
莫德海·米尔格罗姆

是什么使您首先质疑暗物质的存在?

令我震惊的是异常情况中的一些规律性。旋转速度不仅比预期的要大,而且随着半径变得恒定。为什么?当然,如果有暗物质,恒星的速度会更大,但是旋转曲线(即根据半径绘制的旋转速度)仍会根据其分布而上下波动。但是他们没有。那真的让我感到奇怪。因此,在1980年,我有以下预感在普林斯顿高级研究学院进修休假:如果转速恒定,那么也许我们正在研究一种新的自然定律。如果牛顿物理学无法预测固定曲线,那么也许我们应该修正牛顿,而不是仅仅为了适合我们的测量就组成一类全新的物质。

“暗物质是我们这一代的以太。”

如果您要改变在我们自己的太阳系中运作良好的自然法则,则需要找到一种将太阳系与星系区分开的属性。因此,我制作了一个具有不同属性的图表,例如大小,质量,自转速度等。对于每个参数,我都会放入地球,太阳系和一些星系。例如,星系比太阳系还要大,那么也许牛顿定律不会在远距离上起作用吗?但是,如果是这样的话,您会期望在更大的星系中旋转异常会变得更大,而实际上并非如此。因此,我将其划掉,然后移至下一个属性。

我终于以惊人的速度击中了金子:物体速度变化的速度。

我们通常会想到向同一方向加速的地球汽车,但想像一下旋转木马。您可能会转圈,但仍会加速。否则,您将跌倒。天体旋转木马也是如此。在加速度方面,我们发现比例尺存在很大差异,这证明修改牛顿是合理的:绕银河系中心运行的恒星的正常加速度比绕太阳公转的地球小约一亿倍。

对于那些小的加速度,MOND介绍性质的一个新的常数,称为一个0。如果您在高中学习物理,您可能还记得牛顿第二定律:力等于质量乘以加速度,即F = ma。虽然与加速度处理更大时相比,这是一个非常好的工具,一个0,如那些围绕我们的太阳的行星,我建议,在显著较低的加速度,甚至低于我们围绕银河系中心的太阳,力变比例等于加速度的平方,或F = ma 2 / a 0。

“我终于以惊人的速度击中了金子:物体速度变化的速度。”

换句话说:根据牛顿定律,恒星绕银河中心的旋转速度应降低,距恒星距质心越远。如果MOND是正确的,则应该达到恒定值,从而消除了对暗物质的需求。

您在普林斯顿大学的同事对此有何看法?

我没有与普林斯顿大学的同事分享这些想法。我害怕碰到疯了。然后,在1981年,当我已经对MOND有了一个清晰的主意时,我不想让任何人跳上我的马车,可以这么说,当您考虑它时,这甚至更疯狂。不用说,”他笑着说,“即使我迫切希望他们也没有人跳上我的马车。

好吧,当时您35岁,您建议修理牛顿。

为什么不?有什么大不了的?如果某些方法不起作用,请修复它。我不是想大胆。当时我很幼稚。我不明白科学家们的习俗和兴趣与其他人一样动摇。

就像托马斯库恩的“科学革命的结构”。

我喜欢那本书。我读了好几次。它向我展示了生命中的故事是如何发生在历史上的许多其他科学家身上的。当然,很容易取笑曾经反对我们现在知道的是好的科学的人,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,有充分的理由反对。只是持不同政见者通常对其他大多数人没有的事物具有独特的观点。现在,我为之大笑,因为MOND取得了如此进步,但有时我会感到沮丧和孤立。

成为科学特立独行者感觉如何?

总的来说,过去35年之所以令人兴奋和收获,正是因为我一直提倡一种特立独行的范式。我天生是一个孤独的人,尽管时光艰辛而令人生疑,但我还是更喜欢随大流。从一开始我就对MOND的基本有效性很有信心,这对我的一切发展都起到了很大的帮助,但是对MOND的长期反对有两个很大的好处:首先,它给了我时间做更多的贡献到MOND之前,社区早就加入了MOND旅行车。其次,一旦MOND被接受,对它的长期和广泛的抵制只会证明它是多么不平凡的想法。

在普林斯顿休假结束时,我秘密撰写了三篇论文,向世界介绍了MOND。但是,发布它们是一个完全不同的故事。最初,我将内核论文发送到《自然》和《天体物理学期刊快报》等期刊,但几乎一时被拒绝。过了很长时间,所有三篇论文并排发表在《天体物理学杂志》上。

第一个听说过MOND的人是我的妻子Yvonne。坦白说,当我这样说时,眼泪落在我的眼中。伊冯娜不是科学家,但她一直是我最大的支持者。

支持MOND的第一位科学家是另一个物理学特立独行者:已故的雅各布·贝肯斯坦教授(Jacob Bekenstein教授),他最早提出黑洞应该具有定义明确的熵,后来被称为Bekenstein-Hawking熵。在提交了最初的MOND三部曲之后,我将预印本发送给了一些天体物理学家,但Jacob是我与MOND讨论的第一位科学家。他从一开始就充满热情和鼓舞。

“我天生孤独,我更喜欢随大流。”

毫无疑问,这种对暗物质的微小反对慢慢地从仅有的两个物理学家发展到数百个拥护者,或者至少是认真对待MOND的科学家。暗物质仍然是科学共识,但是MOND现在是一个强大的反对者,宣称皇帝没有衣服,暗物质是我们这一代人的以太。

所以发生了什么事?至于暗物质,什么都没有。寻找暗物质的许多实验,包括大型强子对撞机,许多地下实验和几次太空任务,都未能直接观察到它的存在。同时,MOND能够准确地预测越来越多的螺旋星系的旋转-确切地说,迄今已有150多个星系。

他们全部?一些论文声称,MOND无法预测某些星系的动力学。

没错,这非常好,因为MOND的预测是基于测量的。仅考虑规则的可见物质的分布,MOND就可以预测星系的动力学。但是该预测是基于我们的初步测量结果。我们测量从一个星系传入的光以计算其质量,但是我们经常不确定是否确切地知道该星系的距离,因此我们不确定该星系的真正质量。还有其他我们根本无法观察到的变量,例如分子气体。所以是的,有些星系并不完全符合MOND的预测,但总而言之,我们拥有足够的星系数据来一次又一次地证明MOND,这几乎是一个奇迹。

您的对手说MOND的最大缺点是它与相对论物理学不兼容。

2004年,Bekenstein提出了他的TeVeS,即MOND的相对论引力理论。从那时起,提出了几种不同的相对论的MOND公式,其中包括我所称的Bimetric MOND或BIMOND。

因此,不,将MOND纳入爱因斯坦物理学不再是一个挑战。我听到这句话仍然在发表,但只有那些模仿别人的人,他们自己与过去十年的发展并不一致。MOND有几种相对论版本。仍然面临的挑战是证明MOND可以解释宇宙学中的质量异常。

宇宙学家经常提出的另一种观点是,暗物质不仅需要在银河系中运动,而且甚至需要更大的尺度。MOND对此有什么要说的?

根据大爆炸理论,宇宙始于138亿年前的统一奇点。而且,就像在星系中一样,对早期宇宙的宇宙背景辐射所做的观察表明,宇宙中所有物质的引力根本不足以在短短13.8的时间内形成我们目前所看到的不同模式,例如星系和恒星十亿年。暗物质再次被召救:它不发出辐射,但确实使可见物质引力。因此,从1980年代开始,新的宇宙学教条是,暗物质构成了宇宙中所有物质的惊人的95%。一直持续到1998年炸弹袭击我们为止。

事实证明,宇宙的膨胀正在加速,而不是像我们所有人最初想象的那样在减速。任何形式的真实物质,无论是否黑暗,都应减慢加速度。因此,发明了一种全新的实体:黑暗能量。现在公认的宇宙学是,宇宙由70%的暗能量,25%的暗物质和5%的常规物质组成。

但是暗能量只是快速解决方法,与暗物质相同。就像在星系中一样,您可以发明一种全新的能源,然后花数年时间试图了解其性质,或者可以尝试修正理论。

MOND尤其指出了星系和宇宙学的结构与动力学之间的深层联系。在公认的物理学中这是不期望的。星系是宇宙巨大范围内的微小结构,这些结构的行为可以有所不同,而不会与当前的宇宙学共识相抵触。但是,MOND创建此连接,将两者绑定。

这种连接是令人惊讶:无论出于何种原因,的MOND恒一0接近于表征宇宙本身的加速度。实际上,MOND的常数等于光速的平方,再除以宇宙半径。

“但是暗能量只是快速解决方法,与暗物质相同。”

因此,确实,对于您的问题,当前指出的难题是有效的。MOND还没有足够的宇宙学,但我们正在努力。一旦我们完全了解MOND,我相信我们也会完全了解宇宙的膨胀,反之亦然:一种新的宇宙学理论将解释MOND。那不是太神奇了吗?

您如何看待提出的统一物理理论,将MOND与量子力学融合在一起?

这些都回溯到我1999年关于“作为真空效应的MOND”的论文时,在那里有人指出,像我们这样的宇宙中的量子真空可能在星系内产生MOND行为,宇宙常数以MOND的名义出现。加速度常数a 0。但是我很高兴看到这些提议,特别是因为它们是由传统MOND社区之外的人提出的。来自其他背景的研究人员对MOND感兴趣并带来新的想法以进一步理解我们的起源是非常重要的。

如果您有一个统一的物理学理论来解释一切,该怎么办?然后怎样呢?

您知道,我不是一个虔诚的人,但是我经常想到我们这个微小的蓝点以及物理学家在这里所做的艰苦工作。谁知道?也许在那里某个地方,在我一生都在研究的那些星系中,已经有一个已知的统一物理理论,其中内置了MOND的一种变体。但是后来我想:那又如何呢?我们仍然很开心做数学。即使宇宙从来没有注意到它,我们仍然有尝试将自己的头缠绕在宇宙上的激动。


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