暗物质_星空的琴弦_免费在线阅读收听下载

各位听众朋友大家好，我是主播欧锋。
现在为大家介绍科普作家汪洁所著《星空的琴弦》第21篇：暗物质

在人类的基因中，有一个叫做好奇心的生物编码，每个人都有，只是多少强弱的区别而已。有些人的好奇心，足以强到足以揭开谜底的放弃生命。历史上正是这样一群好奇心最强的科学家，把人类对宇宙规律的认识，提升到了一个又一个崭新的高度，他们探索归自然规律的最大动力就是好奇心的驱使。如果刘慈欣小说中的场景真的出现在地球上，我可以保证会有很大一批，天文学家，物理学家为了一个问题而放弃生命，而这个问题就是：暗物质到底是什么？

暗物质这事还得从1932年说起，当时荷兰有一位著名的天文学家，叫做奥尔特，你可能听过奥尔特云这个词的，就是这个奥特，他在极其有限的观测条件下，隐约发现一件事情，不怎么对头，什么事情呢？就是银河系的自转，似乎不太符合牛顿力学。

大家知道太阳系太阳为中心，好多行星绕着太阳转，离太阳越远的行星转的越慢，比如火星比地球距离太阳更远，它的一年就是687天，这个现象完全可以用牛顿的万有引力公式推导出来。但是奥尔特隐约发现，银河系外侧的恒星运动速度，似乎与靠近银心的恒星运动速度，没有什么大的差别。

这是很奇怪啦，难道对于整个银河系而言，牛顿的万有引力不适用了？这里我要说明一点，虽然爱因斯坦的广义相对论对牛顿的万有引力公式作出了修正，但并不是说牛顿的公式就错了，在计算太阳系行星的运转周期和整个银河系的自转规律时，对精度要求不是极高的话，牛顿的公式足够用了。

实际上美国宇航局发射火星探测器，也只需要用到牛顿公式，登陆误差仅仅一秒钟而已，因此大家不要认为爱因斯坦推翻了牛顿，推翻这种词可不能随便用。即使再过一年，只要人类还生活在这个宇宙中，牛顿公式就依然会被频繁使用。

奥尔特这个发现虽然发表了出来，但刚开始并没有引起太多的注意，因为当时的观测条件确实很有限，连奥尔特本人也没有对此问题深究下去，不过我们仍然要把第一个窥探到暗物质的荣誉颁给了奥尔特。

又过了一年1933年，在美国加州理工学院，有一位叫做兹威基的年轻天文学家，正在着迷的研究后发座星系团。那一年，他35岁，刚刚新婚不久。虽然兹威基并不知道前一年奥尔特的那个困惑，但是他居然遇到了与奥尔特几乎相同的困惑，为啥？他们一个研究银河系，一个研究后发座星系团，就会遇到几乎相同的困惑呢？

后发座星系团位于狮子座附近，有差不多一千多个大星系组成，今天我们知道还包含了几万个小星系，是一个巨大的星系团。兹威基试图测算出这个星系团中星系的平均质量。有两种方法可以测算，一种为动力学质量，要用到一个叫维里定理的公式，这个定理也是基于牛顿的万有引力定理推导出来的，需要先测出星系团中星系之间的相对运动速度，然后套几个公式，最后就能估算出该星系团中星系的平均质量。

还有一种方法为光度学质量，这个很好理解，就是先测量星系的亮度，然后可以估算大约需要多少物质，这样才能发出这样的亮度。按理说用两种方法测量出了星系平均质量应该差不多在同一个数量级，但兹威基计算的结果是动力学质量居然比光度学质量大了160多倍。

兹威基看到自己的计算结果后呆呆的出神，他也冒出和奥尔特同样一个念头，难道牛顿定理在后发座星系团失效了，但他很快就想到，也许还有一个更合理的解释，会不会是在后发座星系团中存在着大量不发光的物质呢？这个解释听上去合理多了，而且后发座星系团距离地球足足有3.5亿光年之远，有一些物质不发光或者发光很微弱，在地球上根本，观测不到，也是很合理的。

于是兹威基就在论文中猜测，在后发星系团中包含大量暗物质，也就是不发光或者相对很暗的物质，而且这种物质占到了该星系团中宇宙物质总量的99%，这是暗物质，这个词第一次出现在学术论文中，但此危机并没有觉得这个摊测有什么多了不起，或者根本没有意识到他无意中触碰到了，一个宇宙的惊世之谜。

只过了一年，兹威基注意力的注意力完全被宇宙中另外一种迷人天体超新星吸引过去了，supernova这个词也是他和别人一起发明的。暗物质，是宇宙中最暗的，超新星是宇宙中最亮的，在直觉上当然是研究亮的比暗的更有趣，于是兹威基就把暗物质丢在了一边，转头研究超新星去了。这一搁置就是50多年没人理会，而兹威基也是在1974年去世，没有等到自己提出的暗物质惊动全世界的那一天。后面又发生了什么呢？

美国有一位女天文学家叫鲁宾，在20世纪六七十年代，女性天文学家是很少的，这个鲁宾选择了在天文学研究中不是那么热门的星系自转曲线，在鲁宾做研究的那个年代，天文观测设备已经取得了，长足进步，因而观测精度也大大提高。

鲁宾在研究银河系的转动时，和奥尔特一样产生了一个巨大的困惑，是什么呢？就是我前面说的，银河系外侧的恒星绕银河系中心转动的速度，比用理论推算出的数值大了太多，这一发现让鲁宾大惑不解，也激发了她深入研究的兴趣，这一研究就持续了十几年。

她取得了大量翔实的观测数据，又做了仔细计算，鲁宾发现如果要维持银河系目前的转动速度，又不让银河系分崩离析，银河系的总质量必须远远高于目前已经观测到的所有可见天体的质量。

我再多解释一句，如果我们用沙子捏一个陀螺，把这个陀螺旋转起来，转速一快，沙陀螺肯定会散架，因为沙子与沙子之间的结合力不足以维持向心力，要让沙陀螺不散架，就得拿胶水和在沙子里面。如果把银河系想象成一个沙陀罗，那么万有引力就是胶水，这个胶水的强度决定了陀螺的转速最高能到多少。

现在,我们已经观测到了银河系的转速,就能反算出总的引力大小,进而算出银河系的总质量。鲁宾确定无疑地发现,计算值远大于观测值,银河系的大部分质量“丢失”了!于是,1980年,她和同事发表了一篇论文,详细描述了他们的发现。这是天文学史上第一篇有关暗物质的重量级论文,影响很大。也是从那时候开始,天文学家们蜂拥而至,纷纷开始研究这部分丢失了的质量到底是什么东西,提出了一个又ー个的假说,好不热闹。

不过鲁宾的发现只能算作暗物质存在的间接证据,真正的第一份直接证据出现在2006年。那一年,以道格拉斯・克洛为首的一队美国天文学家,利用钱德拉ⅹ射线望远镜对星系团1E0657-558进行观測时,无意间观测到星系碰撞的过程。星系团碰撞威力巨大,使暗物质与正常物质分开,因此发现了暗物质在在的直接证据。

那么暗物质到底是什么?目前在天文学界并没有一个令人信服的解释,所有人都在猜。主流的观点认为暗物质应该是一种微观粒子,而这种微观粒子除了产生引力效应外,几平不与其他已知的粒子发生任何作用,它们被称为弱相互作用大质量粒子(WIMP)。时至今日暗物质依是物理学界和天文学界共同研究的两大迷题之一。

为了寻找到它的蛛丝马迹,各国科学界都投入了巨大的人力物力,花费巨资建设了许多工程浩大的实验设施设备，有的建在深深的地下，有的被发射到太空中，中国也在2015年12月17日发射了一颗名为悟空的暗物质探测卫星，但直到目前，暗物质依然是迷雾一团，等待着人类去揭开它的神秘面纱。

根据目前最新观测数据，来自欧空局普朗克卫星2015年发布的数据表明，宇宙中的可见物质也就是我们所有能观测到的物质只占整个宇宙总质能的4.9%，暗物质占到了26.8%，那么宇宙的另外68.3%，又是什么呢？它就是天文学界另外一个不解之谜：暗能量！
20190316

暗物质

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