暗物質(zhì)與薇拉·魯賓

二零一一年諾貝爾物理獎被授予三名天體物理學(xué)家：保穆特（S.Perlmutter）、施密特（B.P.Schmidt）和里斯（A.G.Riess），以表彰他們發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹，從而證實(shí)暗能量的存在。這個消息剛一公布，就有好幾個人撰文為暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)者著名天文學(xué)家薇拉·魯賓（Vera Rubin）抱不平，認(rèn)為暗物質(zhì)的意義并不亞于暗能量，薇拉·魯賓不應(yīng)成為諾貝爾獎的遺珠。

薇拉生于一九二八年。在還是個小女孩的時候，她就對天上的星星情有獨(dú)鐘。她臥室的窗戶朝向正北，在夜里，她經(jīng)常不睡覺，躺在床上睜大了眼睛凝望著夜空，一看就是數(shù)小時。她把流星的軌跡、星星的位置默記下來，第二天起床后繪制到筆記本上。日復(fù)一日的觀察讓她發(fā)現(xiàn)星星的位置隨著季節(jié)在不斷重復(fù)變化，整個星空都在動！她覺得看星星比睡覺有趣多了。

薇拉能在天文學(xué)上成就一番事業(yè)，與父母從小對她的“縱容”大概也很有關(guān)系。她的第一架天文望遠(yuǎn)鏡就是在父親的協(xié)助下用一組郵購來的鏡片和硬紙板自制的。其觀測效果大概好不到哪兒去，不過畢竟拉近了星星與她之間的距離。有一次她利用這架自制的望遠(yuǎn)鏡拍攝夜晚劃過天空的流星，媽媽幫她把底片送去沖印，照相館的師傅提醒說這張底片是壞的，印出來就是一片黑加一條白道。她的媽媽卻堅持要印——只為了不讓女兒失望。薇拉十四五歲時開始去華盛頓參加業(yè)余天文學(xué)愛好者俱樂部每月一次的活動，為了安全起見，父親每次都會陪同前往。

據(jù)薇拉自己說，她在上中學(xué)時就已決定將來要以天文學(xué)為職業(yè)。不過她的一些老師卻不看好她能在科學(xué)領(lǐng)域有什么遠(yuǎn)大前程，有位老師在她畢業(yè)時甚至說“除了科學(xué)，你干什么都能干得不錯”。這些老師的看法似乎對她并沒產(chǎn)生多大影響。中學(xué)畢業(yè)后，薇拉進(jìn)入著名女校瓦瑟學(xué)院（Vassar College，現(xiàn)已改為男女混收）學(xué)習(xí)，她是那屆畢業(yè)生中唯一一個天文專業(yè)的學(xué)生。薇拉在瓦瑟學(xué)院用三年時間完成了學(xué)業(yè)，畢業(yè)時的第一志愿是進(jìn)入普林斯頓大學(xué)繼續(xù)讀天文學(xué)。然而她的申請卻泥牛入海，連封回信也沒收到。事后方知普林斯頓的天文專業(yè)那時根本不招收女生（這個規(guī)矩直到一九七二年才改變）。后來大概是由于她丈夫在康奈爾大學(xué)物理系讀博士的原因，薇拉謝絕了哈佛大學(xué)的入學(xué)邀請，最終選擇進(jìn)入康奈爾大學(xué)物理系的天文專業(yè)攻讀碩士學(xué)位。那時康奈爾的天文專業(yè)規(guī)模很小，沒幾位教授，開的課也不多。所以除了天文，她也選了不少物理方面的課，這使她有機(jī)會師從費(fèi)曼（Richard Feynman，1918-1988，獲一九六五年諾貝爾物理獎）、貝特（Hans Bethe，1906-2005，獲一九六七年諾貝爾物理獎）等頂尖的物理學(xué)大師。

在薇拉開始考慮碩士論文題目時，她丈夫給了她一篇大爆炸宇宙論的奠基人之一伽莫夫（George Gamow，1904-1986）發(fā)表在《自然》雜志上的文章《轉(zhuǎn)動的宇宙》。該文引起薇拉很大的興趣，她決定以宇宙中物質(zhì)轉(zhuǎn)動的特性為研究課題。整個宇宙實(shí)在太大，有點(diǎn)無從下手，她于是把注意力集中在了星系的轉(zhuǎn)動特性上。她收集了一百零八個星系的數(shù)據(jù)，首先將宇宙膨脹的效應(yīng)扣除掉，然后把它們的運(yùn)動方式繪制在一個球面上，希望能從中發(fā)現(xiàn)星系中物質(zhì)運(yùn)動速度分布的某些規(guī)律。這些研究工作為她日后推斷出暗物質(zhì)的存在打下了一個良好的基礎(chǔ)。

總的來說，薇拉的學(xué)路歷程可說是一波三折。她在一九五零年完成碩士論文并定在六月進(jìn)行答辯，然而沒想到答辯之前一個星期，答辯委員會成員之一的費(fèi)曼突然從康奈爾大學(xué)跳槽去了加州理工學(xué)院。不知是因?yàn)橘F人多忘事還是根本沒把一個碩士生的答辯當(dāng)回事，反正他連個招呼都沒打就不辭而別了。薇拉只好把答辯推遲到十月，以便另找人頂替費(fèi)曼的位置。這一耽擱把她搞得十分狼狽，因?yàn)槟菚r她已懷孕，預(yù)產(chǎn)期恰恰就是十月底。答辯委員會的另一成員肖（W.R. Shaw，1904-1995）為人處事的方式似乎也頗成問題，他閱讀了薇拉的論文后，認(rèn)為論文比較粗糙，但又說可以拿到同年十二月在賓夕法尼亞州哈弗福德召開的美國天文學(xué)會年會上去宣讀，同時還提出一個匪夷所思的建議：鑒于薇拉的孩子剛剛出生，可由他頂替她去哈弗福德，條件竟是論文只能以他一人的名義宣讀——也就是沒薇拉的份兒。這樣的要求實(shí)在太過無理，薇拉一口拒絕了，說“我自己能去”。去哈弗福德對薇拉來說并不容易，她既無汽車也不會開車，只好求父親送她一趟。康奈爾大學(xué)坐落在紐約上州的大山里，那時的公路也遠(yuǎn)不如現(xiàn)在好，頂風(fēng)冒雪開夜車到哈弗福德實(shí)屬不易，更何況車?yán)镞€有一個嬰兒！薇拉的父親多年后回憶那段旅程，認(rèn)為是他這輩子干的最提心吊膽的一件事。薇拉總算按時到了哈弗福德，宣讀了論文?？山Y(jié)果卻十分令人沮喪，許多與會者對她的數(shù)據(jù)和分析提出各種各樣的質(zhì)疑，其中不少是她這個初出茅廬的碩士生難以回答的。若不是著名天文學(xué)家史瓦西（Martin Schwarzschild，1912-1997）站出來解圍，她差點(diǎn)下不了臺?？傊痪湓?，幾乎沒人相信她的分析和結(jié)論。她后來將論文先后寄給《天文期刊》和《天文物理期刊》，均被退了稿。

薇拉一九五一年從康奈爾大學(xué)畢業(yè)。同年夏天她丈夫獲得博士學(xué)位并決定去約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室工作。他選擇那里主要是考慮到薇拉可以有較多的機(jī)會繼續(xù)攻讀博士學(xué)位，從而在不遠(yuǎn)的將來能圓她的天文學(xué)家之夢。離開康奈爾之后，薇拉有差不多一年的時間待在家里相夫教子，應(yīng)該說那段生活還是很安逸的。但是她頭腦里根深蒂固的成為天文學(xué)家的夢想還是不時令她寢食難安。即使是在當(dāng)家庭主婦的日子里，她也一直訂閱《天文物理期刊》。每當(dāng)收到新一期的《天文物理期刊》，都能讓她興奮、快樂半天。帶孩子去游戲場時，也經(jīng)常拿上一本《天文物理期刊》。然而夢想和現(xiàn)實(shí)還是有很大距離的。她已經(jīng)有一個年幼的孩子，又懷了第二個，繼續(xù)學(xué)業(yè)的決心可真不好下。直到有一天她突然接到了伽莫夫打來的一個電話，伽莫夫詢問了一些與她的碩士論文有關(guān)的研究工作，并說在即將進(jìn)行的一次學(xué)術(shù)報告中準(zhǔn)備用到她的研究成果。這個電話最終促成薇拉下決心重返校園。經(jīng)過與伽莫夫協(xié)調(diào)，喬治城大學(xué)同意接受她為伽莫夫的博士研究生（伽莫夫并非喬治城大學(xué)的教授）。由于喬治城大學(xué)大部分的天文學(xué)課程是由校外的專家、學(xué)者講授的，她需要修的課全都是在晚間六點(diǎn)開始。為了支持薇拉完成學(xué)業(yè)，全家人都被動員起來。在一次訪談中薇拉有這樣一段敘述：“我丈夫五點(diǎn)鐘離開辦公室，開兩英里車到華盛頓接上我母親，她會帶上她自己和我父親的晚餐。五點(diǎn)半我喂完孩子，他們的車也正好到。母親下車，在家照顧孩子。我?guī)еo丈夫的三明治上車。我丈夫再開車送我去學(xué)校。我上課時，他則先在車?yán)锍酝耆髦危缓笕D書館看書、工作，等我下課。我父親下班后直接去我家，和母親一起吃晚餐?！彼牟┦繉W(xué)位實(shí)在讀得很辛苦。其一，她沒能申請到獎、助學(xué)金（原因是“有更需要的人”），因而不得不自付相當(dāng)昂貴的學(xué)費(fèi)。其二，整個白天她都需要照顧兩個孩子，只有中午當(dāng)孩子們午睡時可以讀一小時的書。真正能集中精力寫論文的時間是從晚上七點(diǎn)到凌晨兩點(diǎn)，超負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)常常搞得她精疲力竭。其三，伽莫夫是那種提出的想法常常令一般人無法理解的天才，不論在物理學(xué)界還是在天文學(xué)界都屬于觀念超前的非主流。他的個人形象也頗為亂七八糟，經(jīng)常在會議上打瞌睡，醒來后又問些人家已經(jīng)講過的問題；他還嗜酒，做報告時往往滿身酒氣。他給薇拉的論文題目具有相當(dāng)?shù)那罢靶院吞魬?zhàn)性，當(dāng)然也就不易完成。盡管客觀條件不甚理想，薇拉卻僅用了兩年就獲得了博士學(xué)位（一九五四年）。她的博士論文《星云分布在空間中的漲落》發(fā)表在一九五四年七月的《美國國家科學(xué)院院刊》上，這次天文學(xué)界的反應(yīng)比哈弗福德會議上還糟——完全無人問津。

取得博士學(xué)位后，薇拉留在喬治城大學(xué)工作。一九六五年她成為卡內(nèi)基科學(xué)研究所地磁部的首位女研究員，這是她學(xué)術(shù)生涯的一個重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在地磁部和她共用一個辦公室的是一個叫福特（Kent Ford）的儀器專家，他那時剛好發(fā)明了一種用來測量電磁波譜的儀器——影像管攝譜儀。利用這種新儀器，薇拉和福特進(jìn)行了一系列重要的觀測，其中對仙女座中物質(zhì)運(yùn)動的觀測尤為引人注目。薇拉在一九六八年的美國天文學(xué)會年會上報告了他們的結(jié)果，這一次與會者們對她的發(fā)言反應(yīng)相當(dāng)熱烈，著名天文學(xué)家閔可夫斯基（R.Minkowski）當(dāng)場對她說這篇論文應(yīng)馬上發(fā)表。但有一個問題一直困擾著她和福特，他們的數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)離仙女座中心的物體（恒星、氣體等等）圍繞中心運(yùn)行的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期的數(shù)值。學(xué)過牛頓力學(xué)的人都知道，以太陽系為例，離太陽越遠(yuǎn)的行星圍繞太陽運(yùn)行的速度就越快。然而在仙女座中似乎所有物體運(yùn)行的速度都差不多，就好像離中心越遠(yuǎn)，中心的質(zhì)量就變得越大似的。對這一現(xiàn)象最自然的解釋就是在仙女座中到處都充斥著某種雖然“看”不見但卻具有質(zhì)量、從而能產(chǎn)生引力的物質(zhì)。在仙女座之后，薇拉和福特又對幾十個其他星系進(jìn)行了相似的觀測，所有的數(shù)據(jù)都指向一個結(jié)論：宇宙中存在大量具有質(zhì)量但無法“看”見的神秘物質(zhì)——暗物質(zhì)。到七十年代末，暗物質(zhì)的存在開始逐漸被天文學(xué)界所接受，薇拉也終于成為一位重量級的天文學(xué)家，并在一九九六年獲得了天文學(xué)領(lǐng)域的最高獎——英國皇家天文學(xué)會金質(zhì)獎?wù)?，她是該獎自一八二四年設(shè)立以來第二位獲此殊榮的女性。

支持暗物質(zhì)存在的另一個有力證據(jù)，來自于利用引力透鏡效應(yīng)所進(jìn)行的觀測。根據(jù)廣義相對論，引力透鏡效應(yīng)就是當(dāng)背景光源發(fā)出的光在引力場（比如星系、星系團(tuán)及黑洞）附近經(jīng)過時，光線會像通過透鏡時一樣發(fā)生彎曲。光線彎曲的程度主要取決于引力場的強(qiáng)弱，因而可以用來推斷星系、星系團(tuán)的總質(zhì)量。引力透鏡的原理是基于愛因斯坦一九三六年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇短文。其實(shí)相關(guān)的想法和計算在他一九一二年的筆記里就有了，一直沒有發(fā)表的原因是他覺得“觀測到這種現(xiàn)象的可能性不大”。若不是一位友人極力慫恿，這篇論文也許永遠(yuǎn)都不會面世。事實(shí)上，愛因斯坦這一次完全估計錯了。在他的論文發(fā)表半個世紀(jì)之后，引力透鏡效應(yīng)不但被觀測到了，而且成為估算星系、星系團(tuán)質(zhì)量的重要工具。利用引力透鏡，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)可能無處不在地均勻分布于宇宙之中，其總質(zhì)量占宇宙總質(zhì)量—能量的23%，約為所有可見物質(zhì)總質(zhì)量的將近六倍。

對星系中物質(zhì)運(yùn)動速度的觀測和分析，以及從引力透鏡效應(yīng)得到的結(jié)果，令人信服地推論出暗物質(zhì)的存在，但這些畢竟只是間接的結(jié)論。到目前為止，人們還無法直接探測到暗物質(zhì)，因而除了知道暗物質(zhì)具有質(zhì)量之外，對它的其余物理性質(zhì)幾乎一無所知，當(dāng)然也無法建構(gòu)什么完備的理論。多年來，直接探測到暗物質(zhì)一直是物理學(xué)界的一大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)階段，對暗物質(zhì)的探測大致有三種方法。第一種是守株待兔，在很深的礦井里建立探測器，經(jīng)過長時間的等待，以期能觀察到某些用已知基本粒子與物質(zhì)間相互作用無法解釋的現(xiàn)象。第二種是主動出擊，利用歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對撞器（LHC），觀測在極高能量段是否有暗物質(zhì)產(chǎn)生出來。第三種是用地面上和太空中的大型、高靈敏度天文望遠(yuǎn)鏡觀察那些來自于物質(zhì)密度極高的星系中心發(fā)出的反常信息——物理學(xué)家們相信，在極高的密度下，暗物質(zhì)有可能與其他物質(zhì)碰撞并湮滅，從而發(fā)出一些反常的信息。遺憾的是，這三種方法至今都沒有獲得什么令人滿意的結(jié)果。

如果有一天暗物質(zhì)真的被直接探測到了，這無疑會大大增加薇拉獲得諾貝爾獎的機(jī)會。問題是薇拉已經(jīng)年逾八十，能否等到這一天實(shí)在很難說。好在她自己對獲諾貝爾獎似乎并不十分看重，她曾經(jīng)說過：“對我來講，我的數(shù)據(jù)比我的名字更有意義。如果在往后的歲月里，天文學(xué)家們?nèi)匀粫褂梦业臄?shù)據(jù)，那就是對我最大的獎勵?！?/p>