莫德海·米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）从未想成为一个异端。二十五年前，当他寻找一个有意义的研究问题时，他找到了一个改变了他职业生涯的问题，并且这个难题可能还会改变我们对宇宙最根本的理解。他的思想，长期以来被归于物理学边缘，只有疯子才敢涉足的地方，终于变得太引人入胜，让他的主流同事无法忽视。
米尔格罗姆的异端学说是什么？他否认暗物质的存在，这种模糊且纯粹假设的物质通常被认为构成了宇宙中80%甚至更多的物质。尽管暗物质一直未能被探测到，但大多数宇宙学家都坚信它的存在。没有它，他们就无法解释宇宙中许多观测到的现象。
或者至少在米尔格罗姆打破传统之前，是没有解释的。他的替代方案不仅消除了暗物质，还触及了现代物理学的核心。简而言之，米尔格罗姆认为艾萨克·牛顿的万有引力定律是不完整的。与许多激进的传统物理学替代方案不同，米尔格罗姆的独创——被称为修正牛顿动力学，简称MOND——并未在审视下枯萎。受到攻击？是的。受到嘲笑？当然。被驳斥？没有。
一年多以前，以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的物理学教授米尔格罗姆，因为他的长期合作者雅各布·贝肯斯坦发表了一个新的、更强大的理论版本，完全符合爱因斯坦的广义相对论，而获得了对他思想的新的支持。随着这一进展，MOND有望在描述星系形成和演化方面与暗物质理论一较高下。如果MOND被证明成功，主流宇宙学中数千篇论文将一夜之间过时。而这仅仅是故事的一半。如果米尔格罗姆能取得胜利，他将完成自近一个世纪前爱因斯坦工作以来，我们对引力理解的最戏剧性的修正。
莫德海·米尔格罗姆的职业生涯始于研究双星系统中的超紧凑中子星。1979年，他感到需要新的挑战，于是他带着家人前往普林斯顿大学休假，那里是世界上研究星系的领先中心之一。即使在半个世纪的星系结构和演化研究之后，天文学家仍然对它们知之甚少。米尔格罗姆对一个棘手的问题特别感兴趣。“我听说在理解所谓的星系旋转曲线方面存在困难，这些曲线描述了恒星围绕星系中心旋转的方式，”他说。“我想我会投入自己，尝试思考这个问题。”
当时无人知晓，这个问题对物理学基石之一——质量与引力之间的基本关系——提出了挑战。艾萨克·牛顿在近四个世纪前就发现了衡量轨道天体的规则。牛顿定律的简洁性和准确性使任何大学生都能将对卫星轨道的观测转化为对母体质量的直接测量。正是牛顿定律告诉我们太阳的质量是千兆吨。
整个1970年代，天文学家将这些定律应用于星系，希望能测量它们的总质量。通过分析恒星合并的光，可以推导出围绕星系旋转的恒星的轨道速度。从星系中心到其可见边缘的连续位置重复这一过程，使天文学家能够确定不同距离处的旋转速度。将这些点绘制成图表，就产生了米尔格罗姆听说的星系旋转曲线。数据是新的且混乱的，但到了迪斯科十年末，很明显有什么地方出了大问题。
在恒星旋转速度与距离的图表中，细黑线预计会下降——靠近星系中心的恒星应该比边缘的恒星旋转得更快，因为集中在星系中心的所有质量对最靠近的恒星施加的引力最大。太阳系中也发生同样的事情：火星比木星移动得更快，因为太阳的引力对它施加的引力更大，木星比土星旋转得更快，依此类推，直到冥王星之外。轨道速度和距离的图表——太阳系的旋转曲线——确实随距离减小。细黑线下降，正如牛顿定律所说的那样。
旋涡星系的旋转曲线并非如此。在距星系中心一定距离处，几乎所有旋涡星系的恒星旋转曲线都根本不下降；相反，在某个点上它们会变平。这些星系中部和外部的所有恒星都以相同的速度绕行，这似乎与牛顿定律相悖。为什么外围的恒星不比内部的恒星移动得慢呢？
面对这种悖论，科学家只有少数选择：质疑数据、质疑理论，或者发明一些新的东西，甚至可能是看不见的东西，来解释这种效应。在1970年代后期，天文学家开始支持最后一种选择。面对似乎藐视牛顿定律的平坦旋转曲线，天文学家假设每个旋涡星系周围都存在一个暗物质晕。无论这种物质是什么，它都不发光，但它确实施加了引力。暗物质拉动着恒星，提高了它们的速度，并产生了平坦的旋转曲线。
这个选择是合理的，但这仍然是一个选择。“科学并非以某种完美、完整、晶体的形式出现，”普林斯顿大学宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯说。“有时我们必须从有限的数据中得出更广阔的结论。为什么所有物质都必须存在于可见区域呢？暗物质是这个问题的简单解决方案。”然而，米尔格罗姆无法接受这个解决方案。他尝试了第二种选择。米尔格罗姆决定对牛顿定律进行改造。
他着手修改牛顿运动定律的某些方面，以便它们能够自然地产生星系的平坦旋转曲线。“我很有条理，”他说。“我知道牛顿定律适用于太阳系，但它们似乎不适用于星系。所以我列出了太阳系特性和星系特性的表格，看看哪个可能为修改方程提供最佳途径。”
米尔格罗姆的系统方法至关重要。螺旋星系可能比太阳系大一亿倍。一个天真的方法是简单地改变牛顿的引力定律在远距离处的作用，但这种方法未能准确描述像星系这样的大型系统的其他特性。米尔格罗姆接着尝试根据星系的自转来修改引力。不行。“我表格上的最后一个特性是加速度，”米尔格罗姆说，“而这个奏效了。”
如果你上过高中物理，你可能还记得牛顿最重要的方程被灌输到你的脑海中：F = ma。通过这个简单的公式，被称为牛顿第二定律，牛顿永远将力（F）与它们对质量（m）以加速度（a）形式的作用联系起来。每当我们乘车时，我们都会体验到力与加速度之间的关系。当汽车加速时，我们会被推到座位后面；当汽车减速时，我们会被推到前面。米尔格罗姆发现，解决平坦旋转曲线问题的最佳方法是修改这个神圣的方程。
“我假设当引力引起的加速度变得非常小时，公式会变为 F = ma²/a0，”米尔格罗姆说。根据米尔格罗姆的说法，这种变化只发生在加速度低于每秒每秒十亿分之一米的时候。他补充说，这种修改不仅最符合数据，而且新常数 a0 可能具有宇宙学意义：以这种速度加速，你将在宇宙的生命周期内从静止状态达到光速。否则，牛顿定律照常运行。因此，使用 MOND，星系外围的恒星移动速度比预期更快，不是因为某种看不见的物质的影响，而是因为米尔格罗姆修正版的牛顿第二定律增加了作用在它们上的力。
当他用这个修正方程绘制旋转曲线时，外部距离处的平坦度是可以预测的，而不是令人困惑的。不需要其他任何东西来解释它。对一个外行人来说，米尔格罗姆的创新可能看起来微不足道，但对他的同事来说，这大胆得近乎鲁莽。他正在改变物理学的基石。反对是必然的。
1981年，米尔格罗姆开始撰写论文，以宣传他的想法。他独自工作——自从从普林斯顿回来后，除了妻子，他没有向任何人提起他的工作。他将论文草稿寄给了几位导师和同事。他们的反应低调但鼓舞人心。“他们都没有激烈反应，”米尔格罗姆说，“我甚至得到了一些有益的建议。”
尽管米尔格罗姆收到了一些来自世界级科学家的建议，但发表这些论文却成为一场磨难。“我有点天真，”米尔格罗姆说。“我以为论文会受到欢迎。起初它们被期刊拒绝了。原因各异：‘那都是胡说八道’；‘现在考虑牛顿的替代方案还为时过早’；‘还没有问题；平坦的旋转曲线会通过其他方式解决。’”
回首这段时期，米尔格罗姆没有流露出任何苦涩。“我回顾了科学史，发现这种情况一再发生。市场一次只能处理这么多异端思想。总的来说，我认为我受到了公平的对待。”在米尔格罗姆顽强的坚持下，他关于修正牛顿动力学的所有三篇原始论文于1983年并列发表在《天体物理学杂志》第270卷上，这是该领域的一份重要刊物。
正如激进思想常有的情况一样，社区的反应不是蔑视而是沉默。“起初这项工作没有被接受，甚至没有真正被关注，”米尔格罗姆回忆道。此时他已开始与以色列理论家雅各布·贝肯斯坦合作研究 MOND。贝肯斯坦因其在黑洞方面的研究已获得一些赞誉，成为了 MOND 的忠实拥护者。“1986年，我们受邀在普林斯顿的一次会议上发表演讲，”米尔格罗姆说。“这让我们非常高兴。至少我们开始受到关注。”MOND 开始取得进展。它对星系旋转曲线问题的解决方案过于优雅，不容忽视。对于大多数星系，它比暗物质更好地解释了观测结果。
但是 MOND 为什么会起作用呢？除了它能让旋转曲线问题消失之外，修改牛顿定律的理由是什么？没有理由，米尔格罗姆也知道这一点。他的解决方案不是一个理论；它只是一个描述，并没有从第一性原理上解释任何事物。与此同时，暗物质假说变得越来越复杂。因此，当米尔格罗姆和少数忠实信徒继续研究 MOND 时，暗物质吸引了大量的支持者，并成为了数百篇研究论文的主题。
暗物质曾一度看起来像米尔格罗姆的提议一样临时凑合，但在过去十年里，它已经演变成一个成熟的理论，不仅解释了星系中恒星的特殊运动。暗物质已成为理解整个宇宙大尺度结构以及星系最初如何形成的关键。过去20年最引人注目的天文学发现之一是星系并非随机散布。它们组织成绵延数亿光年的巨大薄片。巨大的无可见物质区域将这些薄片隔开。宇宙学家能为这种结构提供的唯一解释是，巨大的星系薄片本身必须嵌入更大的暗物质聚集体中。
暗物质的支持者从早期宇宙中获得了最有说服力的证据。在过去几年里，美国宇航局的一艘名为威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的航天器一直在研究宇宙微波背景辐射，这是大爆炸的遗迹。辐射的精细细节蕴含着宇宙在几十万年前物质如何分布的线索。暗物质模型对WMAP观测到的现象进行了令人惊叹的准确预测，以至于宇宙学家现在依赖暗物质来解释宇宙的整个演化过程。
“现在和20年前最大的不同，”詹姆斯·皮布尔斯说，“是宇宙学数据（来自WMAP）的质量。我对暗物质解释宇宙学观测的方式印象深刻。”
要使MOND成为暗物质的严肃替代品，米尔格罗姆的灵感猜测需要成熟为一个真正的理论，在现代物理学中拥有坚实的基础。这意味着不仅要面对牛顿，还要面对他那满头乱发的子嗣——爱因斯坦。正是爱因斯坦揭示了引力、空间和时间之间的相互联系。为了让MOND在这个领域取得进展，有人必须找到一种方法来使其与爱因斯坦的杰作——广义相对论——相协调。
“你可以把MOND的第一个版本比作开普勒发现了行星轨道的形状，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所资深天文学家马里奥·利维奥说。1605年，开普勒发现行星的轨道是椭圆形的，但他无法解释为什么。直到牛顿在1687年的《自然哲学的数学原理》中，才完成了开普勒未竟的事业，并提供了一个完整的理论，包括引力的本质。
米尔格罗姆也需要为MOND做同样的事情，以扩展其解释力。“我当然知道需要一个相对论版本的MOND，”他说，“但是，嘿，量子引力理论也还没有。MOND多年来经受住了许多其他测试，我的信心也随着时间增长了。MOND框架从未发现过任何严重的错误。它只是不具备处理宇宙学和星系形成的能力。”
芝加哥大学宇宙学家迈克尔·特纳看到了更鲜明的对比。“MOND是一个巧妙的想法，但我们现在在宇宙学领域已经走得很远了，更简单的解决方案是假设那里只是存在不发光的粒子。”特纳说他将永远对有趣的新理论保持开放的心态，但暗物质的成功实在太难以忽视。“这就像你在一场棒球比赛中，已经到了第九局，暗物质以14分的优势领先MOND，而MOND甚至还没有上垒。比赛可能还没有结束，但人们已经走向停车场了。”
特纳的类比强调了人力资源在发展理论中的作用。无论出于何种原因，MOND在天体物理学舞会上一直是个壁花。很难找到舞伴，也就是愿意投入长时间精力来弄清理论生死攸关的艰深数学细节的物理学家。例如，弦理论是一项极其抽象的工作，但由于其被认为的潜力，大量的年轻有才华的物理学家被它吸引。MOND没有这样的粉丝群。
对特纳来说，这完全说得通。“作为理论家，你看到一个真正好的想法，你投入一美元，就能获得十美元的回报，人们应该蜂拥而至你的想法，”他说。“我只是在 MOND 上没有看到这一点。”
由于只有少数死忠份子在研究 MOND，进展必然缓慢。皮布尔斯赞扬 MOND 作为暗物质的替代方案，但他指出了其招募问题。“随着暗物质和宇宙学取得了如此多的成功，如果你是一个年轻的科学家，你会把自己的职业生涯赌在 MOND 上吗？”面对如此大的压力，只能由老一辈来寻找前进的方向。
2004年3月25日，《物理评论快报 D》上的一篇论文出现在洛斯阿拉莫斯预印本服务器上，这是一个物理学家发布最新文章的网站。这篇题为“MOND范式的相对论引力理论”的论文由雅各布·贝肯斯坦撰写，他是米尔格罗姆自20世纪80年代以来的合作者。在早期尝试的基础上，贝肯斯坦终于成功地建立了一个爱因斯坦可能会喜欢的MOND理论。这个新理论被称为TeVeS，是张量、矢量和标量（描述物质和能量如何在广义相对论中与时空相互作用的数学术语）的首字母缩写。
“TeVeS 无所不能，”马里奥·利维奥充满热情地说道。利维奥自称在 MOND 辩论中是个不可知论者，但他对弱势方有着明显的喜爱，他说贝肯斯坦的工作是“一篇非凡的论文”。他补充说，在 TeVeS 中，所有正确的事情都发生了。其结果与物理学家从爱因斯坦那里了解到的引力知识相吻合，当引力非常微弱时，它就还原为米尔格罗姆在他最初的 MOND 论文中设想的行为。“有了贝肯斯坦的理论，我们现在应该能够探索相对论行为的所有方面，”米尔格罗姆说，无法掩饰他的自豪。“这包括引力对光的弯曲，而且原则上，新理论应该适用于星系形成。”
TeVeS 可能不是使MOND与相对论兼容的最终答案，但它是关键的第一步。“也许存在更美妙、更优雅的理论形式，”利维奥说。最重要的是，现在MOND和暗物质之间的竞争才能真正开始。“没有MOND，你无法进行宇宙学研究，”他说，“但有了TeVeS，你就可以。”
米尔格罗姆说，TeVeS 已经通过了关键的第一项测试，因为它可以用来解释引力透镜现象，这是一种宇宙光学错觉，其中物质弯曲光线。这是广义相对论的奇异预测之一，天文学家已经多次证实。例如，当观测一个遥远的星系时，地球与该星系之间的巨大天体就像一个巨大的透镜，弯曲星系的光线，产生单个星系的多个图像。暗物质模型已被用于解释许多遥远星系的引力透镜效应。如果米尔格罗姆能说服他的同事们，TeVeS 也能做得同样好，那将是全新的局面，也许一些粉丝会开始回到他们的座位上。
比较 TeVeS 和暗物质的论文才刚刚开始出现，现在就断言这项新工作最终将如何评判还为时过早。虽然 TeVeS 和所有其他 MOND 方法可能会被扔进科学史的垃圾桶，但暗物质也可能面临同样的命运。昂贵而复杂的暗物质粒子搜寻都空手而归。如果这些持续进行的搜寻继续失败，而且如果 MOND 理论的势头持续增强，潮流可能会逆转，整个复杂的宇宙学支架可能会从其基础动摇。这是一个令人震惊的想法：暗物质，现在是现代宇宙图景中如此不可或缺但又神秘的一部分，可能会在一夜之间消失。那不会是异端。那将是一场革命。
