## 《给忙碌者的天体物理学》2:暗物质的陪伴

咱们今天继续说尼尔·泰森的《给忙碌者的天体物理学 》。上期我们讲了关于这个宇宙，物理学家知道的很多事儿。今天要说的是一个物理学家还不完全知道，但是做梦都想知道的事儿。

咱们在《伽利略的反应速度》这期专栏讲过望远镜的起源。在望远镜刚刚出来的时候，它的放大倍数很低，既没有军事用途也没有科学用途。最早的望远镜被称为“偷窥镜”，因为人们买望远镜主要是为了偷窥邻居。

当然偷窥这个行为是很猥琐，但是这也取决于你观察邻居的时候，到底看了什么、看了多长时间，和你看的时候有多用心。我就听说过有人通过偷窥洞察了人性，还出了书，更新了世人的三观。

从某种意义上说，天文学家干的事儿和偷窥者差不多，他们都是充满好奇心地观察一些东西。也许最大区别的是，天文学家看的东西更多、看的时间更长，而且看得非常非常用心。

所以天文学家发现的结果，比偷窥邻居可刺激多了。

而今天这个内容就好比说，你发现有些邻居的行为，实在太怪异了。

满天星斗并非是杂乱无章的。古人的思路是把星星划分成“星座”，而今天的天文学家对星星之间的关系看得更清楚，他们的划分思路是“星系”和“星系团”。

我们这个太阳，就处在“银河系”这个星系之中。从地球上看，银河是带状的 ——

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但是如果你能换个远方太空中居高临下的视角，银河系其实是盘状的。它有若干条螺旋臂，太阳就位于银河系的某个不起眼的螺旋臂的某个不起眼的位置。

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每个星系中可能有千亿、甚至万亿颗恒星。就好像行星围绕恒星转一样，星系中的恒星也绕着星系的中心转 —— 这当然是因为星系内部这一大堆恒星集合在一起，给外面的恒星提供了一个向内的引力。

像银河系这样的星系，宇宙中至少有千亿个。星系们又组成星系团，然后每个星系都绕着它所在星系团的中心转。

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在星系中间那广阔的空旷地带，其实也有很多物质，包括矮星系、不属于任何星系的孤单恒星、星系间气体等等。但是总体来说，结构就是这样。如果你把宇宙想象成一个国家，星系团就好像是城市，这些城市就好像一个一个的岛屿散布在宇宙之中。

天文学家看着这些星系和星系团，实在着迷。

1937年的时候，天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）仔细观察了一个星系团，叫“后发座星系团”。兹威基选择了后发座星系团里的几个星系，测量了这些星系绕着星系团旋转的移动速度。兹威基发现，这些星系的速度都太快了。

咱们可以做个实验体会一下。你拿一根比较长绳子，比如说耳机线吧，抓住一端快速甩动，让绳子绕着你手指旋转。很明显，转动速度越快，你的手指就要越用力。如果转动速度特别快以至于你的手抓不住了，这个绳子就会飞出去。地球绕着太阳转也是这个道理，中心提供的引力越大，能支持的旋转速度就越大。

星系绕着星系团中心转，也是这个道理。兹威基估算了后发座星系团内部大概有多少星系，这些星系总共有多大的质量，能提供多大的引力。他发现这个引力根本支撑不了外面星系旋转的速度！那么高的速度，那几个星系都应该被甩出去才对！

兹威基非常相信自己的计算，他据此判断，星系团内部必定还有一些我们看不到的物质，提供了多余的引力。

此后天文学家们陆续考察了别的星系团，结果每个星系团都有这个现象。

到了1976年的时候，一个叫薇拉·鲁宾（Vera Rubin）女天文学家又把目光对准了恒星围绕星系的转动。首先她注意到，在一个星系的可见部分之中，越往外的恒星，旋转速度就越快。这个是可以理解的，越往外的恒星，它里面的恒星就越多，能提供的引力就越大。

然后鲁宾在星系的最边缘找了几个恒星，结果发现这几个恒星也是越往外速度越快。这就不对了，因为从这里再往外，就已经没有多少恒星给它们提供更多的引力。

不论星系绕着星系团转，还是恒星绕着星系转，转速都比天文学家计算的快得多。

咱们打个比方。这就好像你密切观察你家的邻居，你详细记录了每一个人的出行情况，发现他们平时都不出门，只在周末出去买点食物回来吃。你仔细测量了他们每周末买回来的食物都有什么，总共能提供多少热量，结果你发现这些买回来的东西根本不够一家人吃一周。那这一家人是怎么生存的呢？

最合理的解释，就是邻居吃了一些你看不到的东西。物理学家把提供多余引力的东西，称为“暗物质”。计算表明，想要维持那么高的速度，暗物质不但要提供多余引力，而且必须提供很多很多引力才行 —— 暗物质的总质量，必须是已知物质总质量的6倍。

考虑到暗物质，我们银河系的图像应该是这样的 ——

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整个星系被一层厚厚的暗物质包围。暗物质在星系中间比较浓，远离星系的地方慢慢变淡。因为我们的太阳系只是整个星系中间的一小块区域，行星和卫星都太小，运动不会受到暗物质影响，我们没感觉到。但是考察星系边缘那些恒星的运动，影响就非常明显了。

暗物质到底是什么东西呢？我们的第一反应，也许暗物质就是一些比较“暗”的正常物质，因为太暗了我们没看到而已。而物理学家已经排除了这种可能性。咱们先一个一个地数。

暗物质是黑洞吗？ 黑洞其实是可以探测到的。黑洞在很小的区域内产生很大的引力，周围星体会绕着黑洞转，我们一看那些星体的轨道，就知道中间有个黑洞。

暗物质是星际间的气体云吗？ 也不是。遥远的星光穿过气体云，会受到影响，但我们没有发现到这种影响。

暗物质有没有可能是一些散布在空间没有恒星“主人”的流浪行星呢？这也不太可能。你要知道，我们太阳系总重量的4/5在太阳上，而不是行星上 —— 宇宙中不太可能是行星集中那么大比例的质量。

就好像中学生解数学题要用两种不同方法求解一样，物理学家还可以从另一个方面证明暗物质不是寻常物质。物理学家计算表明，大爆炸产生的氢原子和氦原子核的比例是 10 : 1，这个比例还可以跟宇宙微波背景辐射的观测结果对上号 —— 宇宙创生中所有的核反应都在这里了。那也就是说，暗物质根本就没参与核反应！

目前所有的仪器都测不到暗物质。物理学家知道的四种相互作用，暗物质很可能除了引力之外，其他都不参与。

咱们想想这个东西。除了引力，我们在生活中，在原子核之外，所能感受到的所有“力” —— 我们能看到光、我们被什么东西打一下会疼，这些都是电磁力。可是暗物质不参与电磁力。

这就是说，你的房间里遍布着一种特殊粒子构成的气体。这种粒子可能比质子、中子都大很多，也很重。可是你摸不着它、看不到它，就算用上各种先进仪器，也完全感受不到它的存在。你任凭它在你的身体中穿过。

物理学告诉我们，所有东西都有引力。但是不是“有引力”就一定“有东西”呢？这个现在很难回答，也许我们需要在牛顿、爱因斯坦之后，再出一位神人，再给我们一个新的引力理论。

连民间科学家都可能会想到，是不是爱因斯坦的广义相对论，在星系这么大的尺度上，出错了。有人在做这个工作，但大多数物理学家对广义相对论非常有信心。广义相对论是个相当精确的理论。

事实上，物理学家把民间科学家想不到的离奇可能性也想到了。比如说有没有可能暗物质是我们感受到的来自“高维空间”的引力？也许存在多重宇宙，有一个“平行宇宙”跟我们的空间重叠在了一起，以至于这个平行宇宙中的物质的引力穿越了时空的维度，让我们感受到了。这些可能性似乎都不大。

如果暗物质根本不参与引力之外的其他相互作用，那它到底是怎么从宇宙大爆炸中产生的呢？物理学家的一个指望是也许暗物质也参与强相互作用或者弱电相互作用，只不过实在太微弱了，不容易测到。

所以现在物理学家正在上天入地，去探测暗物质。他们把专门的卫星送上太空，在地底下挖了很深很深的坑，在实验室里用最高能级的粒子加速器搞碰撞，希望能找到一两个“暗物质粒子”。

但是从1937年兹威基的发现至今八十年过去了，物理学家对暗物质的了解，仍然没有突破。

***

但是物理学家回头又算了一下。我们知道大爆炸以来，宇宙一直都在膨胀。在这个过程中有两种力量在对抗 —— 一种力量是引力，引力是把东西聚集到一起；另一种是膨胀，是要把东西分散开。

这两个力量如果平衡得不好，就不会有今天的日月星辰。引力太强，宇宙中的原子们刚刚出生就会都挤在一起；引力太弱，它们就不会有机会凝聚成恒星。

物理学家计算发现，我们已知的这些寻常物质的引力，原来根本对抗不了大爆炸的膨胀。原来非得依靠暗物质的陪伴，才有我们这个宇宙的今天。那到底需要多少暗物质，才能让宇宙膨胀成今天这个样子呢？

正好也是已知物质总质量的6倍。

暗物质，完全是物理学家因为算数对不上，而认为必须存在的一种东西。但是我们至今对暗物质还没有任何直接的观测。

在物理学史上，这其实是司空见惯的局面。比如说十九世纪的时候，有人测量太阳光到达地球的能量，就发现太阳每时每刻产生的能量是非常巨大的。那太阳的能量来自哪里呢？太阳上到底要烧什么东西，才能产生这么大的能量呢？

当时的人还不知道核反应。甚至有人提出非常可笑的猜测，说太阳上烧的是煤！

但这个精神是一样的：我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。

最后我想请你看一张照片。这张照片的分辨率不高，但是非常非常厉害 ——

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/201706/21/201706211432462548834476.png)

这是一张在地球上、晚上拍摄的太阳照片。注意，晚上，太阳可是在地球的另一面。物理学家把照相机镜头向下，透过地球，拍到了太阳！

那是因为这张照片拍的不是太阳光，而是太阳发射的中微子。中微子，是最难跟任何仪器发生相互作用的东西，它们横穿整个地球都畅通无阻……但最终还是被物理学家捕捉到了。

所以我敢说，只要暗物质存在，物理学家就一定有办法“看到”它。

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