《一路走来的宇宙 14》

兹威基是一个奇人。他有这么一段故事。曾经在1930年，兹威基见到密立根时说：我读过您所有的论文，听过您所有的演讲。但是我看不出有任何一项工作出于您自己的原创想法。当时密立根是兹威基所在的实验室主任，实际上加州理工学院的校长，早已经是诺贝尔物理学奖获得者。密立根平淡地说道：好吧，那你又是怎么样？兹威基回答道：只要两三年我就给您一个原创性想法和结果。

也就在三年以后，兹威基和巴德证实了恒星演化终极的超新星爆发的现象。超新星的名称也是兹威基提出来的。同一年，兹威基对星系团进行观测，发现星系之间的相对运动太快。如果星系的质量只有它们的亮度所表现出来的大小。以高速相对运动的星系团肯定会散了架。所以星系一定有一些看不见的质量将它们束缚在一起。兹威基把它叫着暗物质。兹威基估计暗物质是亮物质的四百倍。很明显，这个比例比我们现在知道的大很多。虽然兹威基极有科学天份，但是凡事表现很夸张，为人很傲慢，得罪了不少同行，其中也有知名权威的物理学家。难怪他一生不得志。他的暗物质结果没有引起重视。当然，宇宙中存在一些不发光的物质也不是太奇怪的事情。

暗物质存在的重要证据要等到三十多年以后。鲁宾是伽莫夫的学生。她从1954年博士毕业后就在不停地换工作，换课题。这些都因为一方面鲁宾是一位女性。当时在天文学界鲜有女性的参与。另一方面是鲁宾提出的一些观点争议很大。天文学上的观测往往误差很大，而且测量数据有限。所以，天文学上观测带来的问题经常比观测数据本身更多。1965年，鲁宾进入卡内基研究院，着重于对仙女座星系的观察。利用福特的高精度光谱仪，鲁宾可以观测到旋渦星系的恒星旋转速度。因为大部分恒星聚集在星系盘，其中又有多数的恒星集中在星系核，我们可以认为恒星受到的引力等效于星系质量集中在中心。根据开普勒定律，星系核区域外的恒星离星系中心越远，旋转速度越慢。但是观测结果显示恒星旋转速度和距离没有关系。鲁宾假定有暗物质提供恒星引力作用。暗物质呈球形的暗场质晕分布，笼罩整个旋涡星系。鲁宾的计算得出一个结论，暗物质总质量大概是普通物质的六倍。

现在，我们有更多的观察事实证明暗物质的存在。其中之一就是如果没有暗物质参与的引力作用，宇宙将不会有如今的星系分布和大尺度上的丝状网状结构。那么暗物质究竟是什么？人们最初最简单假想暗物质是不发光或者暗光的星体，比如行星，褐矮星，白矮星，或者中子星。但是这个假说更改了早期宇宙物质粒子与光子辐射的比例。由此得到的大爆炸核合成反应的元素丰度结果将与现在的观测不符合。另外，暗物质不发亮。这就意谓它不参与电磁作用，本身不带电荷，所以不可能是电子，质子等带电粒子。暗物质只能是有质量参与引力作用，外加上弱相互作用的粒子（WIMP）。但是它不可能是中微子。虽然中微子被证实带有静止质量，但是它的质量太小，速度太快，太热。如果中微子构成暗物质，它无法给普通物质提供稳定持久的引力作用，现在宇宙的大尺度结构只能在很久以后才能形成。暗物质很可能是一种新的粒子。现在的实验观察大都基于超对称模型下的WIMP假设。如果暗物质不参与弱相互作用，我们将一无所得。

暗物质的另一种可能是原始黑洞。大爆炸之后不久的早期宇宙的密度有一定的涨落。有的相对高密度的局部就可能形成原始黑洞。霍金曾经就原始黑洞的形成和演化有细致的研究。霍金经常和别人打赌，输多赢少。就原始黑洞的问题，我不会在霍金身上下注，让引力波探测器告诉我们吧。

--写于2022年9月5日（图片来自网络）