《一路走來的宇宙 14》

茲威基是一個奇人。他有這麽一段故事。曾經在1930年，茲威基見到密立根時說：我讀過您所有的論文，聽過您所有的演講。但是我看不出有任何一項工作出於您自己的原創想法。當時密立根是茲威基所在的實驗室主任，實際上加州理工學院的校長，早已經是諾貝爾物理學獎獲得者。密立根平淡地說道：好吧，那你又是怎麽樣？茲威基回答道：隻要兩三年我就給您一個原創性想法和結果。

也就在三年以後，茲威基和巴德證實了恒星演化終極的超新星爆發的現象。超新星的名稱也是茲威基提出來的。同一年，茲威基對星係團進行觀測，發現星係之間的相對運動太快。如果星係的質量隻有它們的亮度所表現出來的大小。以高速相對運動的星係團肯定會散了架。所以星係一定有一些看不見的質量將它們束縛在一起。茲威基把它叫著暗物質。茲威基估計暗物質是亮物質的四百倍。很明顯，這個比例比我們現在知道的大很多。雖然茲威基極有科學天份，但是凡事表現很誇張，為人很傲慢，得罪了不少同行，其中也有知名權威的物理學家。難怪他一生不得誌。他的暗物質結果沒有引起重視。當然，宇宙中存在一些不發光的物質也不是太奇怪的事情。

暗物質存在的重要證據要等到三十多年以後。魯賓是伽莫夫的學生。她從1954年博士畢業後就在不停地換工作，換課題。這些都因為一方麵魯賓是一位女性。當時在天文學界鮮有女性的參與。另一方麵是魯賓提出的一些觀點爭議很大。天文學上的觀測往往誤差很大，而且測量數據有限。所以，天文學上觀測帶來的問題經常比觀測數據本身更多。1965年，魯賓進入卡內基研究院，著重於對仙女座星係的觀察。利用福特的高精度光譜儀，魯賓可以觀測到旋渦星係的恒星旋轉速度。因為大部分恒星聚集在星係盤，其中又有多數的恒星集中在星係核，我們可以認為恒星受到的引力等效於星係質量集中在中心。根據開普勒定律，星係核區域外的恒星離星係中心越遠，旋轉速度越慢。但是觀測結果顯示恒星旋轉速度和距離沒有關係。魯賓假定有暗物質提供恒星引力作用。暗物質呈球形的暗場質暈分布，籠罩整個旋渦星係。魯賓的計算得出一個結論，暗物質總質量大概是普通物質的六倍。

現在，我們有更多的觀察事實證明暗物質的存在。其中之一就是如果沒有暗物質參與的引力作用，宇宙將不會有如今的星係分布和大尺度上的絲狀網狀結構。那麽暗物質究竟是什麽？人們最初最簡單假想暗物質是不發光或者暗光的星體，比如行星，褐矮星，白矮星，或者中子星。但是這個假說更改了早期宇宙物質粒子與光子輻射的比例。由此得到的大爆炸核合成反應的元素豐度結果將與現在的觀測不符合。另外，暗物質不發亮。這就意謂它不參與電磁作用，本身不帶電荷，所以不可能是電子，質子等帶電粒子。暗物質隻能是有質量參與引力作用，外加上弱相互作用的粒子（WIMP）。但是它不可能是中微子。雖然中微子被證實帶有靜止質量，但是它的質量太小，速度太快，太熱。如果中微子構成暗物質，它無法給普通物質提供穩定持久的引力作用，現在宇宙的大尺度結構隻能在很久以後才能形成。暗物質很可能是一種新的粒子。現在的實驗觀察大都基於超對稱模型下的WIMP假設。如果暗物質不參與弱相互作用，我們將一無所得。

暗物質的另一種可能是原始黑洞。大爆炸之後不久的早期宇宙的密度有一定的漲落。有的相對高密度的局部就可能形成原始黑洞。霍金曾經就原始黑洞的形成和演化有細致的研究。霍金經常和別人打賭，輸多贏少。就原始黑洞的問題，我不會在霍金身上下注，讓引力波探測器告訴我們吧。

--寫於2022年9月5日（圖片來自網絡）