维拉·鲁宾：发现暗物质

陈杜梨 张雷

导语：维拉是一个了不起的科学家和一个令人赞叹的人，一个开拓性的天文学家，平面旋转曲线和暗物质之母，女性在科学性研究方面的先驱，世代天文学家的导师和榜样。

圣诞节似乎在天文学界具有特殊意义，这么说不是因为《圣经》中说的“伯利恒之星”指引东方三贤士找到耶稣的出生地，而是因为伟大的天文学家的生活，或者在那天开始，或者在那天结束。艾萨克·牛顿出生于1642年12月25日，另一个天文学巨星维拉·鲁宾于2016年圣诞节去世，维拉对星空的观测，改变了我们看待宇宙的方式。

艰难的求学生涯

维拉·佛罗伦萨·库珀1928年7月23日出生在费城。她十岁时与家人一起搬到華盛顿。她的父亲是一名电气工程师，从小鼓励她观察星星，小维拉养成了观察流星雨的习惯，斜倚在卧室的窗前，记住它们划过天际的轨道。爸爸帮助小维拉用纸筒制作了她的第一台望远镜，小维拉还自己制作万花筒，虽然她从未见过一个天文学家，但从来她从没想过自己不能成为一个天文学家。维拉说她的父母非常支持她的职业选择，但她在1995年接受美国物理学会采访时说，她的父亲曾建议她成为一名数学家，担心她难以以天文学家的身份谋生。

1945年维拉进入大学时，女性在科学领域仍然不受欢迎。尽管在维拉之前，有些女性进入了天文学领域，但她们的工作往往局限于全女性空间，而且男性同事几乎不信任不重视她们的工作。但是，有些女性仍然脱颖而出。比如说19世纪的天文学家玛丽亚·米切尔，2岁的时候，玛丽亚·米切尔跟爸爸一道记录了一次日蚀。到29岁时，她发现以自己名字命名的彗星（米切尔小姐彗星），后来米切尔成了瓦萨学院第一批聘请的教授之一。维拉知道了米切尔的故事后，她决定去瓦萨学院。她回忆说，因为米切尔，“我知道有一所学校，女子可以学习天文学，所以……我从来没有想到我不能成为天文学家。”

但是她的整个职业生涯都将与跟性别歧视作斗争。维拉小时候从未预料到过会碰到这样的问题。虽然从10岁起维拉就对天文学充满热情。她从没想过要进入一个男性统治的世界，随着职业生涯的发展，女性在天文学领域的稀缺性越来越明显。

高中的时候，当维拉告诉她那受人尊敬的科学老师她获得了瓦萨学院的奖学金时，他说：“只要远离科学，你做什么都行。” 维拉回忆说，“听到这样的话而不会被击倒，需要强大的自尊心。”

1947年，她要求看看普林斯顿大学的研究生目录，院长告诉她不用麻烦了：物理学和天文学不招收女生。普林斯顿直到1975年才准许招收天文学专业的女生。1948年维拉作为唯一一名天文学专业本科生从瓦萨学院毕业。这样的事情并没有结束，再后来她的博士生导师大爆炸理论的提出者乔治·加莫说，她不能参加他在约翰霍普金斯大学应用物理实验室的讲座，“因为妻子不被允许参加”。

维拉确实是一位教授的妻子。她在19岁时与罗伯特·鲁宾结婚，为了跟随身为物理学家的丈夫到康奈尔大学，她牺牲了在哈佛的学位。在康奈尔大学，维拉跟随理查德·费曼和汉斯·贝特（两人后来都获得了诺贝尔物理学奖）等物理学界的巨人学习。

20世纪70年代，维拉·鲁宾在使用一台测量仪。

维拉说，他的丈夫是她最伟大的盟友。从康奈尔大学获得硕士学位之后，因为丈夫的工作调动，维拉选择去乔治敦大学攻读博士，因为这是附近唯一授予天文学博士学位的学校。那段时间她在乔治敦大学上夜校，他的丈夫开车把她送到学校，然后在车里吃晚餐，等维拉上完课他再开车送她回家，因为维拉自己不会开车。与此同时，维拉的父母在家中充当临时保姆照料他们的孩子。尽管有亲人相帮，但是维拉还是发现养育四个孩子几乎把她压垮了。

在乔治敦大学开始博士学习的时候，维拉23岁，已经生了一个孩子，肚子里还怀着一个。她称停止学业生涯的六个月是她一生中最糟糕的时期，每当《美国天体物理学》期刊寄到的时候她都忍不住哭泣。

早期发现

维拉从乔治敦大学获得博士学位，为了养育4个孩子，贴补家用，她在蒙哥马利县社区学院和乔治敦大学兼职，最终于1962年成为乔治敦大学的员工。在此工作期间，她获得了业内的认可，1965年成为第一位允许使用帕洛马天文台的女性，并于同年搬到华盛顿，在华盛顿的卡内基研究所，一个非营利科学研究中心工作，维拉余生的职业生涯都在此度过。

维拉博士在2002年告诉《发现》杂志，“在职业生涯的早期，我几乎都是兼职工作，这样我在3点钟就回家，当孩子们从学校回来时，我必须确保自己在家。这几乎雷打不动。所以我在家里做了很多工作。”她说她从来不检查孩子的房间，但他们都有很好的发展，四个孩子都有科学方面的博士学位，两个成了地质学家，一个天文学家，一个数学家。

在维拉职业生涯的初期，她的一些发现挑战了已有的天文学理论，但她不被重视。维拉的博士论文发表在美国科学院院报上，标题是“Fluctuations in the Space Distribution of the Galaxies"（星系空间分布的涨落）。她发现星系在宇宙中并不是随机分布的，而是呈现斑块状分布。这个观点直到二十年之后才被广泛注意，逐渐形成了今天我们所普遍接受的冷暗物质等级成团宇宙学模型。

维拉的硕士论文的课题发现了宇宙膨胀之外的星系运动，星系有可能像恒星一样绕着一个未知的公转中心旋转。她在的康奈尔大学的指导老师说，这篇论文值得提交给美国天文学会，但是鉴于她即将分娩，所以，他建议，由他来提交但是要以他的名字提交。

维拉拒绝了。她的父母从华盛顿赶来，带着他们22岁的女儿，帮助护理新出生的婴儿，开始了从纽约州北部到费城的一场艰难的雪地旅行。在天文学年会上，维拉向满屋子的陌生人，讲述了十几分钟的星系旋转问题，得到了一些屈尊附就的批评和一丝赞美，然后离开了。她的这次经历还被华盛顿邮报给调侃了一番： 报道的标题是“年轻的妈妈数星星发现了宇宙创生的中心”。

这趟旅程不愉快，遭受挫折更感糟糕。但是在整个职业生涯中维拉坚持抗议全男性的会议，全男性的部门，全男性的平台。维拉在天文学领域的名声日隆，1963年，她被邀请成为第一位合法地将手放在帕洛马尔望远镜上的女人。1964年，她成为第一位获得正式批准使用南加州帕洛马天文台的女性。在维拉的时代，使用帕洛玛天文台的望远镜不仅仅是看星星，还是一个进入天文学研究前沿的机会。帕洛马尔望远镜的观测有助于研究者发现从类星体到超新星爆炸等一系列的宇宙现象。尽管天文台处于天文学研究的前沿，在某种意义上却落后于时代：那里禁止女性使用。尽管女性在科学界越来越普遍，但长期以来一直由男性把持的野外考察的工作却依旧对女性大门紧闭。比如说地质学家玛丽·萨普就被禁止参加在海上和陆地上进行实地勘测。

1965年，当维拉来到拥有世界闻名的五米口径海尔反射望远镜的帕洛马天文台观测时，她发现那里没有女性洗手间，当时帕洛马天文台被戏称为修道院，在维拉之前没有女性天文学家在那里工作过。在帕洛玛天文台，维拉在男士洗手间的一个门上贴上了一个她亲手剪出来的裙子标志，来制造一个女士房间（一年后她再回来：标志不见了）。维拉后来说，在帕洛玛天文台，我“清楚地表明，我知道如何使用望远镜”。

发现暗物质

在与地球上的性别歧视进行战斗的同时，维拉博士还凝视宇宙并观测200多个星系的旋转。

1965年维拉·鲁宾在洛厄尔天文台工作。

在其他热门工作中，男性天文学家将维拉挤到一边。受够了歧视之后，维拉决定寻找了一个“人们会感兴趣的问题，但是没有那么感兴趣，没人会在我研究结束之前打扰我”。这样的问题，很快就被她找到了。1968年维拉经过一番思考之后，做出了一个不同寻常的决定，从热门的类星体研究中抽身走开，重新回到了星系旋转曲线的测量中。

20世纪60年代末期，维拉和她的同事肯特·福特一起工作，肯特是一位天文仪器专家，维拉来到卡内基研究所后，他刚刚从威尔逊山天文台测试他的光电倍增光谱仪回来，这比普通的胶片成像效率提高了近十倍。维拉和肯特相见如故，肯特急需人手帮忙处理光谱以测试倍增管的灵敏度极限，而维拉需要光谱来测量恒星速度，以便继续研究她感兴趣的课题。

他们一起研究银河旋转的难题。维拉发现，像仙女座这樣的螺旋星系旋转得非常快，以这样的速度，外围的星球早就应该被甩出银河系之外了，而事实并非如此，在接下来的几年中，维拉和福特又测量了另外60个星系中恒星的旋转速率，得到的结果是一样的，这表明要么爱因斯坦关于重力的理论是错的，要么就是还有来自大量不可见物质——暗物质的引力将这些恒星吸引在一起。

在20世纪30年代，一个性格孤僻的瑞士天体物理学家弗里茨·扎维奇提出，闪闪发亮的恒星只是整个宇宙的一部分，还一定存在“暗物质”，虽然看不见但可通过引力的影响间接显示。这种天才猜想几乎湮没无闻，但通过维拉的这一系列工作，暗物质才逐渐从幕后走向了历史舞台的中心，慢慢被人信服的广泛接受，如今成为天文学中最基本的问题。就在维拉和福特挂测仙女座星系的同时，澳大利亚天文学家肯·弗里曼观测其他螺旋星系也发现了类似的异常。

维拉的发现重塑了宇宙学，尽管最初她的同事们接受起来很不情愿。暗物质的发现彻底改变了科学家观察，测量和理解宇宙的方式，被认为是20世纪天文学最重要和最根本的进展。1998年维拉在《科学美国人》杂志上写道：“暗物质对我们理解宇宙的大小，形状和最终命运非常重要，在未来的几十年里，寻找它很可能将主宰天文学研究。” 诺贝尔物理学奖到今天已经颁发了100多次了，基本上都是授予了在5%里面做出贡献的科学家。

直到今天，暗物质还没有被直接观察到，其精确成分仍然未知，但科学家认为未被直接观测到的暗物质占宇宙的25%，而宇宙的5%是恒星，地球，人类等可见的物质，另外的75%是暗能量。许多宇宙的深层秘密仍然有待被眼睛和大脑发现。“在螺旋星系中，暗物质是普通物质的十倍，”维拉说。 “这一比例也适用于未知和我们已经了解的宇宙知识。”鲁宾女士认为，人类的天文学研究“刚刚走出幼儿园，大约处于三年级的水平”。

暗物质不为人所见，这是因为除了通过重力之外，暗物质不与正常物质相互作用。几十年来，大量实验试图发现和识别暗物质粒子，但结果证明暗物质是一个狡猾的，难以捉摸的野兽。有天体物理学家将暗物质比喻为恐怖电影中的幽灵，你看不到它，但是你知道它就在你附近，因为它会让可见的东西变得混乱。

不过也有相反的猜想，20世纪80年代，以色列物理学家提出了一种改进的牛顿动力学，简称MOND，这种理论认为，引力强度的衰减与距离呈线性关系，而不是牛顿力学所认为的与距离平方成比例，因此漩涡星系的外围，质点间的吸引较之牛顿力学所预见的强得多，故改进的牛顿力学说可以取代暗物质说，解释漩涡星系外围的稳定性。普林斯顿高级研究院的宇宙学家尼玛·阿卡尼·哈米德曾经对《纽约客》杂志说，。 “我还是孩子的时候，每月三十个夜晚总有一个晚上，我醒来想一想，哦，我的上帝！有可能是MOND，其他的二十九个夜晚，我会很高兴心想有暗物质。后来我成了一名科学家，现在每年里有一天我都会仰望星空，感叹，我的上帝，也许是MOND。但我不认为这是事实。”

对科学家来说，最糟糕的情况是在未来的十年或一百年内，暗物质仍然是一个谜。暗物质是将人类聚集在一起的大问题，但是要花费一生的时间寻找某种可能找不到的东西，会令天文学感到沮丧。芝加哥费米国家加速器实验室的休利·平科特说。“问题是，我们不知道我们在找什么， 而且有超过百分之五十的几率，我们永远不会找到它。这才是真正可怕的地方。”

可以说，维拉发现了一个宇宙的持久的谜团，此外，她还表达了对宇宙未知的一切深切的理解，“没有人承诺我们会生活在一个可以揭开宇宙奥秘的时代，宇宙的边缘远远超出我们的把握，”她在书的序言中写道。“我们已经窥见到了一个新世界，并且已经知道，它远比我们想象的更神秘更复杂，宇宙中仍然隐藏着非常多的奥秘，它们在发现等待着未来具有冒险精神的科学家去发现，我很高兴是这样。

名声如浮云

维拉曾经写道：“我生活和工作有三个基本原则，1）没有任何一个科学问题是必须由男人来解开，而女人是解决不了。2）全世界范围内，一半的大脑长在女性身上。3）我们都需要获得进行科学研究的许可，但是，由于历史根深蒂固的影响，这种许可证经常给予男性而不是女性。”

维拉博士积极推动女性进入天文学和其他科学领域，在接受《华盛顿邮报》采访时，她说，问题不是是否有女性想进行科学研究或能否做好科学研究，而是她们是否有这样的机会。1976年，史密森航空航天博天文馆首次公开展示美国天文学发展史，维拉发现这次展览上都是在展示白人男性的成就后，她游说了好几个月的时间，要求增加女性的内容（她的努力是不成功的）。

维拉还是迫使华盛顿那个排外的宇宙俱乐部允许女性成员加入的科学家群体中的一员。“宇宙俱乐部”是美国主流社会中的精英聚会场所。历史上，这一俱乐部成员的私密聚会曾促成了美国国家地理学会的诞生，也曾在二战中萌生出研发和制造原子弹的曼哈顿计划。然而，只有到了1988年，通过诉讼程序和威胁召开公开听证会之后，这个俱乐部才开始接纳女会员。维拉并不是第一批加入该俱乐部的女性，但在允许女性加入的十年后，她获得了宇宙俱乐部颁发的奖章。

维拉还主张普遍的科学素养。“我们需要研究物理学的参议员和了解生态学的代表，”她在1996年的一个公开演讲中说。维拉还公开批评美国国家科学院缺少女性成员。她还会见政治家，讨论为女孩创造更多机会的必要性。

70多年前维拉刚进入天文学研究领域的时候，清一水全是男性。 但是到了2016年88岁的她去世的时候，情况已经改观。 这在很大程度上得益于维拉：一位出色的导师和激烈的女性科学倡导者。她因此赢得了同样的赞誉，普林斯顿大学的女性天文学家内塔·巴克尔说，维拉是一个了不起的科学家和一个令人赞叹的人，一个开拓性的天文学家，平面旋转曲线和暗物质之母，女性在科学性研究方面的先驱，世代天文学家的导师和榜样。

除了暗物质，维拉还有新发现，1992年，维拉发现了NGC 4550星系，这个星系中一半的恒星朝一个方向的轨道旋转，另一半朝另外的方向旋转。维拉赢得了多枚奖牌，比如说英国皇家天文学会的金奖（最后授予一位女士是在1828年）和美国国家科学奖章。 众多大学，包括曾经拒绝她的普林斯顿，授予她荣誉博士学位。

暗物质的发现给维拉带来了无数荣誉，喝彩令人愉快，但数据更重要，维拉曾说，名声是浮云， 我的数据比我的名字更重要。如果天文学家多年后仍在引用我的数据，才是对我最大的贊美。很多年里，维拉都是获得诺贝尔物理学奖的热门人选，历史上只有两位女性获奖（德裔美籍物理学家玛丽·戈佩特-迈耶和法国著名波兰裔科学家居里夫人）。

维拉获奖的呼声很高，“从现在开始，我不会参与关于诺贝尔奖的争论，” 美国约翰霍普金斯大学的行星学家萨拉·赫斯特在推特上说。“我只会说维拉鲁宾，然后走开。”但是获奖电话从未响起。维拉的粉丝感叹，她非常重要，但容易忽略，就像暗物质。但是，也像暗物质一样，她让人感受到了她的影响力。