モルデハイ・ミルグロムは、同僚がワイツマン科学研究所の彼のオフィスに立ち寄ったことについて語った。ミルグロムは私たちを紹介し、彼の友人が廊下のすぐ下で行われているプロジェクトで暗黒物質の証拠を探していると言いました.
「『暗黒物質派』や『MOND派』はありません」と彼の同僚は反論した。
「私は『MONDピープル』です」ミルグロムは、暗黒物質と暗黒エネルギーの存在を仮定するのではなく、ニュートン物理学を修正する彼の理論である修正ニュートン力学に言及しながら、誇らしげに宣言しました。宇宙の総質量エネルギー含有量の 95.1 パーセント。
この友好的な出来事は、（「モティ」）ミルグロムの冷静で風変わりな性格を示しています。 70 歳の物理学者が、イスラエルの暑い夏に短パンをはいて、興奮するたびに声が途切れてしまうのには、誤解を招くようなところがあります。彼の快活な態度については、この男がニュートン物理学を正した 3 人目の人物であると主張していることを明らかにするものは何もありません。最初はマックス プランク (量子論)、次にアインシュタイン (相対性理論)、そして現在はミルグロムです。
今年は、ミルグロムがワイツマンで 50 周年を迎えた年です。私は彼を訪ねて、科学の異端者であることがどのように感じられるか、Thomas Kuhn の The Structure of Scientific Revolutions について彼が高く評価していることについて詳しく学びました。 、そして彼が暗黒物質と暗黒エネルギーが存在しないと考える理由.
星の動きに人生を捧げようと思ったきっかけは何ですか?
物理学が私を襲った方法を非常に鮮明に覚えています。私は 16 歳のとき、次のように考えました。これは、仲間の理解をはるかに超えた、物事の仕組みを理解する方法です。それは長期的な計画ではありませんでした。毎日のアトラクションでした。他の人が芸術やスポーツを愛するのと同じように、私は単純に物理が好きでした。ニュートンを正すような大きな発見をする日が来るとは夢にも思いませんでした.
私は学校で素晴らしい物理の先生を持っていましたが、教科書の資料を勉強するとき、あなたは完了した取引を勉強しています.物事が不明確であり、進歩が直感的に行われ、しばしば失敗する場合、画期的な科学を生み出すための努力はまだ見られません.学校では教えてくれません。彼らは、科学は常に前進することを教えてくれます。あなたは知識体系を持っており、誰かが何かを発見し、その知識体系を拡張します。しかし、実際にはそうはいきません。科学の進歩は直線的ではありません。
暗黒物質の問題にどのように関わったのですか?
私の博士号の終わりに向かって、ここの物理学部門は拡大したいと考えていました。そこで彼らは、博士号のトップ 3 人に尋ねました。素粒子物理学に取り組んでいる学生が新しい分野を選択します。私たちは天体物理学を選択し、ワイツマン研究所は私たちをポスドクとして受け入れてくれるよう、海外の機関といくつかの糸を引きました。それで、天体物理学のギャップを埋めるためにコーネル大学に行きました。
宇宙での X 線放射の物理学に取り組んでいる高エネルギー天体物理学で数年間働いた後、私はさらに別の分野に移ることに決めました:銀河のダイナミクスです。渦巻銀河を周回する星の速度の最初の詳細な測定が行われてから数年後のことでした.そして、測定には問題がありました.
この問題を理解するには、頭をいくつかの天体の回転に巻き付ける必要があります。私たちの惑星は太陽の周りを回っており、太陽は天の川銀河の中心を回っています。太陽系の内部では、太陽の質量からの引力と惑星の速度が釣り合っています。ニュートンの法則により、太陽系の最も内側の惑星である水星が時速 100,000 マイルを超える速度で太陽を周回しているのに対し、最も外側の植物である海王星は時速 10,000 マイルをわずかに超える速度で移動しているのです。
さて、同じ論理が銀河にも当てはまると思うかもしれません。星が銀河の中心から離れているほど、その周りをゆっくりと回転します。しかし、より小さな半径では、測定値はニュートン物理学によって予測された通りでしたが、より遠い星は、これらの銀河で見られる質量の重力からの予測よりもはるかに速く移動することが証明されました.観測されたギャップは、1970 年代後半に電波望遠鏡が銀河の周辺にある冷たいガス雲を検出して測定できるようになると、さらに広がりました。これらの雲は恒星の 5 倍離れた銀河の中心を周回しているため、この異常は主要な科学的謎に発展しました。
このパズルを解決する 1 つの方法は、単純に物質を追加することです。星やガスの速度を説明するために銀河の中心に目に見える質量が少なすぎる場合、おそらく目に見えるよりも多くの物質、目に見えない物質、暗黒物質が存在します.
暗黒物質の存在そのものに疑問を抱くようになったきっかけは何ですか?
私を驚かせたのは、異常の規則性でした。回転速度は予想よりも大きかっただけでなく、半径に対して一定になりました。なんで？確かに、暗黒物質が存在する場合、星の速度は速くなりますが、半径の関数として描かれた回転速度を意味する回転曲線は、その分布に応じて上下する可能性があります.しかし、彼らはしませんでした。それは本当に奇妙に思えました。それで、1980 年に、私はプリンストン高等研究所でサバティカルに参加しました。次の予感がありました。回転速度が一定である場合、おそらく新しい自然法則を見ているのです。ニュートン物理学が固定曲線を予測できない場合は、測定値に合わせてまったく新しい種類の物質を作成するのではなく、おそらくニュートンを修正する必要があります.
私たち自身の太陽系で非常にうまく機能している自然の法則を変えるつもりなら、太陽系と銀河を区別する特性を見つける必要があります.そこで、サイズ、質量、回転速度など、さまざまな特性のチャートを作成しました。各パラメーターに、地球、太陽系、およびいくつかの銀河を入れました。たとえば、銀河は太陽系よりも大きいので、ニュートンの法則は遠距離では機能しないのでしょうか?しかし、これが事実である場合、より大きな銀河では回転異常が大きくなると予想されますが、実際にはそうではありません.それで私はそれを消し去り、次の物件に移りました.
私はついに加速で金を打ちました:オブジェクトの速度が変化するペース.
通常、同じ方向に加速する地上の車を思い浮かべますが、メリーゴーランドを想像してください。ぐるぐる回っていても加速する可能性があります。そうしないと、簡単に脱落してしまいます。同じことが天体のメリーゴーランドにも言えます。そして、ニュートンを修正することを正当化するスケールの大きな違いを見つけるのは加速度です:銀河の中心を周回する星の通常の加速度は、太陽を周回する地球の加速度よりも約 1 億倍小さいです。
これらの小さな加速度に対して、MOND は a と呼ばれる新しい自然定数を導入します。 0 .高校で物理学を学んだ方なら、おそらくニュートンの第 2 法則を覚えているでしょう:力は質量と加速度、つまり F に等しい =ママ . a よりもはるかに大きな加速度を扱う場合、これは完全に優れたツールですが、 0 太陽の周りの惑星のように、私は、銀河の中心の周りの太陽よりもはるかに低い加速度で、力が加速度の 2 乗、つまり F に比例することを提案しました。 =ママ /a 0 .
言い換えれば、ニュートンの法則によれば、銀河の中心の周りの星の回転速度は、星が質量の中心から遠くなるほど遅くなるはずです. MOND が正しければ、一定値に達し、暗黒物質の必要性がなくなるはずです。
プリンストン大学の同僚はこれらすべてについてどう思いましたか?
私はこれらの考えをプリンストン大学の同僚と共有しませんでした。私は、まあ、狂っていると出くわすのが怖かったです。そして 1981 年、私が MOND について明確な考えを持っていたとき、いわば誰も私のワゴンに飛び乗ってほしくありませんでした。言うまでもなく[笑い ] 必死に欲しがっていたのに、誰も私の荷馬車に飛び乗ってくれませんでした.
そうですね、あなたは 35 歳で、ニュートンを修理することを提案しました。
なぜだめですか？大したことは何ですか？何かがうまくいかない場合は、修正してください。私は大胆になろうとしていませんでした。当時、私はとてもナイーブでした。科学者が他の人々と同じように慣習や興味に左右されることを理解していませんでした.
トーマス・クーンの科学革命の構造のように .
私はその本が大好きです。何度か読みました。歴史を通じて、私の人生の物語が他の多くの科学者にどのように起こったかを教えてくれました。確かに、私たちが今知っている優れた科学にかつて反対した人々をからかうのは簡単ですが、私たちは何か違うのでしょうか?クーンは、これらの反対者は通常、反対する正当な理由を持つ優れた科学者であると強調しています。ただ、異議を唱える人々は通常、他のほとんどの人が共有していない独自の視点を持っているというだけです。 MOND はこれほどまでに進歩したので、今では笑ってしまいますが、落ち込んで孤独を感じた時期もありました.
科学の異端児であることはどのようなものですか?
全体として、過去 35 年間は刺激的でやりがいのあるものでした。まさに私が一風変わったパラダイムを提唱してきたからです。私は本質的に孤独であり、困難で疑わしい時期にもかかわらず、一般的な流れで運ばれるよりもこれを好みます.私は最初から MOND の基本的な妥当性にかなりの自信を持っていたので、これらすべてをうまく処理するのに大いに役立ちましたが、MOND に対する長引く反対には 2 つの大きな利点があります。早い段階でコミュニティがMONDワゴンに飛び乗ったよりもMONDに。第 2 に、MOND が受け入れられると、それに対する長期にわたる広範な抵抗は、それがいかに重要なアイデアであるかを証明するだけです。
プリンストンでのサバティカルの終わりまでに、MOND を世界に紹介する 3 つの論文を密かに書き上げていました。ただし、それらを公開することはまったく別の話でした。最初はカーネルの論文を Nature などのジャーナルに送りました と天体物理ジャーナルの手紙 、そしてそれはほとんど手に負えないほど拒否されました。 3 つの論文すべてが Astrophysical Journal に掲載されるまでには長い時間がかかりました .
MONDのことを最初に聞いたのは妻のイヴォンヌでした。率直に言って、これを言うと涙が出てきます。イヴォンヌは科学者ではありませんが、私の最大の支援者です。
MOND を支持した最初の科学者は、別の物理学の異端者でした。ブラック ホールが明確に定義されたエントロピーを持つべきであることを最初に示唆した故ジェイコブ ベケンシュタイン教授は、後にベケンシュタイン ホーキング エントロピーと呼ばれました。最初の MOND 三部作を提出した後、プレプリントを何人かの天体物理学者に送りましたが、MOND について話し合った最初の科学者はジェイコブでした。彼は最初から熱心で励みになりました。
ゆっくりと、しかし確実に、暗黒物質に対するこの小さな反対派は、わずか 2 人の物理学者から、数百人の支持者、または少なくとも MOND を真剣に受け止める科学者に成長しました。暗黒物質は依然として科学的コンセンサスですが、MOND は今や手ごわい敵であり、皇帝には服がなく、暗黒物質は私たちの世代のエーテルであると宣言しています。
どうしたの？暗黒物質に関する限り、実際には何もありません。大型ハドロン衝突型加速器、多くの地下実験、およびいくつかの宇宙ミッションを含む暗黒物質を探索する多くの実験は、その存在そのものを直接観察することに失敗しました.一方、MOND はますます多くの渦巻銀河の回転を正確に予測することができました。正確には、現在までに 150 以上の銀河です。
全員？一部の論文は、MOND が特定の銀河のダイナミクスを予測できなかったと主張しています。
MONDの予測は測定に基づいているため、それは真実であり、まったく問題ありません.通常の目に見える物質の分布だけを考えると、MOND は銀河のダイナミクスを予測できます。しかし、その予測は私たちの最初の測定に基づいています。銀河から入ってくる光を測定してその質量を計算しますが、多くの場合、その銀河までの距離が確かにわからないため、その銀河が実際にどれだけ大きいかはわかりません.また、分子ガスなど、まったく観測できない他の変数もあります。そうです、一部の銀河は MOND の予測と完全には一致しませんが、全体として、MOND が正しいことを何度も証明するのに十分な銀河に関するデータがあることはほとんど奇跡です。
対戦相手は、MOND の最大の欠点は相対論的物理学との互換性がないことだと言っています。
2004 年、Bekenstein は彼の TeVeS (MOND の相対論的重力理論) を提案しました。それ以来、Bimetric MOND または BIMOND と呼ばれる、私が作成したものを含め、いくつかの異なる相対論的な MOND の定式化が発表されました。
つまり、MOND をアインシュタインの物理学に組み込むことは、もはや難しいことではありません。この声明は今でも出されていると聞いていますが、それは過去 10 年間の発展に遅れをとっている、他人をオウム返しにする人々からの話にすぎません。 MOND にはいくつかの相対論的バージョンがあります。課題として残っているのは、MOND が宇宙論における質量異常を説明できることを実証することです。
宇宙論者がよくする別の議論は、暗黒物質は銀河内の運動だけでなく、さらに大きなスケールでも必要であるというものです。 MOND はそれについて何と言っていますか?
ビッグバン理論によると、宇宙は138億年前に一様特異点として始まった。そして、銀河と同じように、初期宇宙からの宇宙背景放射で行われた観測は、宇宙のすべての物質の重力が、銀河や星のように、わずか 13.8 で現在見られるさまざまなパターンを形成するには単純に不十分であることを示唆しています。億年。再び暗黒物質が助けを求められました。暗黒物質は放射線を放出しませんが、可視物質と重力を結び付けます。そのため、1980 年代以降、新しい宇宙論の教義は、暗黒物質が宇宙の全物質の驚異的な 95% を構成するというものでした。それは、1998 年に爆弾が私たちを襲うまで続きました.
宇宙の膨張は、私たち全員が当初考えていたような減速ではなく、加速していることが判明しました。暗いかどうかに関係なく、どんな形の本物の物質でも、加速が遅くなるはずです。そして、まったく新しいタイプの実体が発明されました:暗黒エネルギーです。現在受け入れられている宇宙論では、宇宙は 70% の暗黒エネルギー、25% の暗黒物質、および 5% の通常物質で構成されています..
しかし、暗黒エネルギーは、暗黒物質と同じように、応急処置にすぎません。銀河と同じように、まったく新しいタイプのエネルギーを発明してから、その特性を理解するために何年も費やすか、理論を修正してみることができます。
とりわけ、MOND は、銀河と宇宙論における構造とダイナミクスの間の非常に深いつながりを指摘しています。これは、受け入れられている物理学では予期されていません。銀河は、宇宙の壮大なスケール内の小さな構造であり、それらの構造は、現在の宇宙論的コンセンサスに矛盾することなく、異なる振る舞いをすることができます.ただし、MOND はこの接続を作成し、2 つをバインドします。
この関係は驚くべきものです:何らかの理由で a の MOND 定数 0 宇宙そのものを特徴づける加速度に近い。実際、MOND の定数は、光速の 2 乗を宇宙の半径で割った値に等しくなります。
したがって、確かに、あなたの質問に対して、指摘された難問は現在有効です。 MOND にはまだ十分な宇宙論がありませんが、それに取り組んでいます。そして、MOND を完全に理解できれば、宇宙の膨張も完全に理解できるようになると思います。逆もまた同様です。新しい宇宙論によって MOND が説明されるでしょう。すごいと思いませんか?
MONDと量子力学を融合させた物理学の統一理論についてどう思いますか?
これらはすべて、「真空効果としての MOND」に関する私の 1999 年の論文を思い起こさせます。そこでは、私たちのような宇宙の量子真空が銀河内で MOND 挙動を生成し、宇宙定数が MOND を装って現れる可能性があることが指摘されました。加速度定数、a 0 .しかし、これらの命題が従来の MOND コミュニティの外の人々によって作成されたものであるため、これらの命題が提示されたことを非常に嬉しく思います。他のバックグラウンドの研究者が MOND に興味を持ち、その起源の理解を深めるために新しいアイデアをもたらすことは非常に重要です。
そして、すべてを説明する物理学の統一理論があるとしたら?
ご存知のように、私は宗教的な人ではありませんが、私たちの小さな青い点と、物理学者がここで行っている骨の折れる仕事についてよく考えます。知るか？おそらくどこかで、私が生涯をかけて研究してきた銀河の 1 つに、MOND のバリエーションが組み込まれた既知の統一物理理論がすでに存在します。しかし、私は思う：それで何？私たちはまだ数学を楽しんでいました。たとえ宇宙がまったく気付かなかったとしても、私たちは宇宙に頭を包み込もうとするスリルをまだ持っていました.
Oded Carmeli は、イスラエルのテルアビブ出身の科学ジャーナリスト兼詩人です。
リード画像:Mordehai Milgrom クレジット:Weizmann Institute
この記事は最初に公開されました Nautilus Cosmos 2017 年 2 月。
