“暗物質(zhì)”研究的最新進展和中國有關(guān)。紫金山天文臺與國外同行合作,發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì),可能是“暗物質(zhì)”粒子湮滅的產(chǎn)物。當2009國際天文年到來,從天文學研究到科幻故事,“暗物質(zhì)”話題將更為科學家、普通天文愛好者所津津樂道,但在1933年,卻幾乎沒有人愿意像弗里茨#8226;茲威基一樣,相信宇宙的大部分質(zhì)量是人們看不到的。
如果要列出“20世紀最受冷落科學家”的單子,弗里茨#8226;茲威基(Fritz Zwicky)肯定會排得靠前,盡管在宇宙學領(lǐng)域,他的位次可能緊跟阿爾伯特#8226;愛因斯坦。在科學史上尋找這個瑞士天文學家,倒有點像在宇宙中間尋找他提出的“暗物質(zhì)”——由于“暗物質(zhì)”不發(fā)散光,不吸收光,不反射光,人們根本看不見它?;蛟S茲威基的想法超越了他的時代。但假如這個科學家的個性不那么古怪的話,不知道他的名字是否還會在70多年中被同僚無視。
“下落不明的質(zhì)量”
20世紀,天文學的許多重大發(fā)現(xiàn)同美國加州的威爾遜山有關(guān)。在1917、1947年間,當時世界上最大的天文望遠鏡就在威爾遜山上,口徑有100英尺,著名的愛德溫#8226;哈勃(Edwin P. Hubble)通過它觀測到星系正離我們遠去,提供出一幅宇宙膨脹的圖像,暗示存在著一個“大爆炸”的時刻。茲威基覺得,那時的威爾遜山就是“宇宙的中心”。威爾遜山距離茲威基任職的加州理工大學(Caltech)不遠,從學校操場就可以遙望這座山清晰的輪廓,這讓他時常想起多山的瑞士老家。1925年,獲得1922年諾貝爾物理獎的密立根(Millikan)教授引薦他來到這里,換成別人一定會為教授的器重而感激和榮幸,然而茲威基對于這位推薦者的態(tài)度卻很不屑,甚至當面指責密立根“從未提出過好的想法”。當密立根善意地提醒這個年輕人先要自我反省時,茲威基卻宣稱自己不必擔心,因為“每隔兩年就能蹦出好點子”。他這么說或許不完全是吹牛,在1933年,茲威基腦子里就冒出了“暗物質(zhì)”的點子。
“遙遠的星系團里有一些物質(zhì)很獨特,它們既不發(fā)光,也不吸收光、反射光……”茲威基的意思是,宇宙中存在你我看不到的物質(zhì),但它們有質(zhì)量。事實上,暗物質(zhì)不僅擁有質(zhì)量,它的質(zhì)量甚至是可見物質(zhì)的6倍,占到宇宙物質(zhì)成分的24%;另外72%是暗能量,一種充溢宇宙空間的能量形式,同樣不可見。在進入21世紀前,人們竟然被告知,可見的一切在茫茫宇宙的質(zhì)量劃分中都不能占到多數(shù)?!耙姓J我們宇宙超過90%都看不到多少有些尷尬”,華盛頓大學的教授布魯斯#8226;珈諾(Bruce Margon)在《紐約時報》上說,“大自然在嘲笑人類,她把宇宙的絕大部分藏了起來?!?/p>
但茲威基還是找到了它。1933年的美國經(jīng)濟大蕭條似乎同這個對星星著迷的35歲男人毫無關(guān)系,當時他已經(jīng)是加州理工大學的首位天體物理學家,可以把注意力完全放在后發(fā)座星系團(Coma Cluster)上面了。這個星系團就在我們熟悉的獅子座附近,由1000個大星系,30000多個小星系組成。據(jù)說,得名自一個與埃及法老托勒密三世王后的頭發(fā)有關(guān)的傳說。對神話故事,茲威基當然不關(guān)心,他的憂慮在一堆寫著密密麻麻數(shù)字、符號的算草紙上。
要測量星系團的質(zhì)量,一般兩種方法?!皠恿W質(zhì)量”計算,需要的數(shù)據(jù)是各星系之間的相對速度和平均速度,而“光度學質(zhì)量”要求測量各星系的光度。茲威基分別利用這兩種算法計算后發(fā)座星系團的質(zhì)量,結(jié)果不可思議:“動力學質(zhì)量”是“光度學質(zhì)量”的400倍!為什么后發(fā)座星系團有99%的質(zhì)量“下落不明”?難道“動力學質(zhì)量”中用到的牛頓運動定律不再適用?或者,星系團的主要質(zhì)量并不是由可視的星系貢獻的?茲威基用他那最具幻想的頭腦做出了以下推測:宇宙大部分質(zhì)量不可見,因此光度方法測算不出。于是,有了“暗物質(zhì)”一詞。
似乎大多數(shù)人還是信奉“眼見為實”,在當時,“暗物質(zhì)”這個概念被徹底忽略了。相反,茲威基本人的惡名倒比“暗物質(zhì)”的名稱傳播得快。
當傳道牧師談到《圣經(jīng)》的“創(chuàng)世紀”部分,“上帝說:‘要有光!’便有了光……”,茲威基立即表示,如果加上一句“而且,有了電磁場”將會更好。類似的談話肯定不止這一次,這個瑞士人當然可以決定在各個信仰間保持中立,但這種玩世不恭的態(tài)度顯然不會被人們喜歡。其他天文學教授常要忍受茲威基帶有學術(shù)尖酸味的辱罵,比如:“球體的雜種”。為什么是球體?茲威基的解釋——“因為我看過去,不論從哪一個方向,他們都是雜種?!碑斔麜簳r離開他親愛的星星,談?wù)撈鹜?,那大鼻子上的兩只眼睛里只有輕蔑。其他科學家沒有忘記茲威基是如何對待自己的伯樂密立根教授的,于是盡量避開他,以免自己的研究成果被叫做“一堆無用的垃圾”。
在威爾遜山天文臺
幸好不是人人都想躲著茲威基,比他大五歲的德國天文學家沃爾特#8226;巴德(Walter Baade)就是個例外。巴德同茲威基恰恰相反,他的“溫和、謙遜,容易接近”已被公認,也許是互補的性格使他們對對方產(chǎn)生了某種吸引,自從巴德轉(zhuǎn)到威爾遜山天文臺(Mount Wilson Observatory)——就建在曾被茲威基稱為“宇宙的中心”的威爾遜山上——工作,兩人的名字就開始同時出現(xiàn)。盡管茲威基時不時會因為巴德的德國血統(tǒng)大罵“納粹”,但人們發(fā)現(xiàn)兩人關(guān)系其實越來越密切。他們在為一種新的理論而狂熱,茲威基投入其中的精力多少分散了由于“暗物質(zhì)”被忽視所帶來的失望情緒。1934年,他和巴德在《國家科學院學報》上推出了這個新概念——“超新星”。
當“新星”爆炸,光度在短時間內(nèi)成千萬倍增加,以致宇宙中像是出現(xiàn)了新的星體。這個過程有點像恒星重生,因此,國內(nèi)科學家喜歡將“新星”比作涅槃的鳳凰。而茲威基發(fā)現(xiàn),“超新星”會更加猛烈地爆發(fā),光度增加甚至超過一億倍。爆炸前,“超新星”是普通恒星,當這顆恒星的核心達到與原子核相當?shù)拿芏葧r,內(nèi)部發(fā)生爆炸。恒星將拋掉大部分質(zhì)量,突然失去支撐自身重量的壓力,坍縮成為一顆毫無生氣的超致密殘骸——“中子星”。茲威基能感覺到“超新星”的概念如此重要,不僅干預星系的形成、演化,甚至可以用作測量宇宙膨脹的標尺。但除了巴德,似乎沒有人愿意站在他一邊。1934年1月19日的《洛杉磯時報》,甚至一本正經(jīng)地調(diào)侃,“星體爆炸釋放出火焰,看上去像是一億顆太陽。然后,突然,星體的直徑由50萬英里縮到了14英里……”在任何正常人看來,這顯然是不可能的。
“暗物質(zhì)”帶給茲威基的無奈在于它無法觀測,但“超新星”不一樣,一億顆太陽的亮度絕對不難發(fā)現(xiàn)。1936年,茲威基說服加州理工大學,在威爾遜山東南方的帕洛馬天文臺(Palomar Observatory)上建起了口徑48英尺施密特望遠鏡。人們可以大概猜出茲威基的目的:施密特望遠鏡比其他望遠鏡有更大的清晰視場,特別適合巡天觀測。比如,尋找超新星。施密特望遠鏡架在帕洛馬天文臺屋頂開口的下面,就像一門對準星空的白色大炮。茲威基已經(jīng)習慣跟這個龐然大物在一起,當他一次次將眼睛對準目鏡,他所發(fā)現(xiàn)的“超新星”的數(shù)字也在增加。1935年到1940年之間,這個數(shù)字是14顆,占1930年代人們發(fā)現(xiàn)超新星總數(shù)的一多半。而在其一生中,他總共發(fā)現(xiàn)了122顆“超新星”,這一紀錄直到2006年才有人打破。人們不禁疑惑,他在數(shù)星星上表現(xiàn)出的執(zhí)著會不會是“暗物質(zhì)”那件事上壓抑的一種釋放。
在加州理工大學,可能由于茲威基在為人師表上做的真是很糟糕,這個辛勤的天體觀測者早已失去了教授應得的尊敬。那座學校里有很多對他不利的傳聞。有學生說,當他跟其他同學一起去茲威基教授家,教授的妻子是這么招呼教授的——“下樓來吧,小雜種們過來了!”這不能不讓人懷疑,在茲威基家里,“雜種”就是他對學生的一貫稱呼。在1974年,甚至有學生找到某家雜志,要求通過媒體揭發(fā)茲威基“對學生帶有虐待性的苛刻要求”。那本雜志的編輯聽了學生的抱怨,準備找個機會同茲威基教授談?wù)?,但不久,就聽說了他去世的消息。
遲來的發(fā)現(xiàn)
茲威基去世13年后,他最小的女兒巴巴麗娜#8226;茲威基(Barbarina Zwicky)走進加州理工大學的一家書店,翻開一本叫做《理查#8226;普雷斯頓的第一道光》的書。她以為這本書講的是帕洛馬天文臺的望遠鏡,但首先讀到的段落卻跟已故的茲威基有關(guān)——“茲威基叫巴德‘納粹’……他把帕洛馬天文臺的天文學家都稱作笨蛋……他總是使用最骯臟的詞匯咒罵其他人……甚至巴德都恐懼地表示‘可能有一天會被茲威基殺掉’……”。這可不是巴巴麗娜所熟知的老爸茲威基,她能回憶起的,是茲威基微笑著問自己要什么禮物,一起熬夜攻克代數(shù)、地理難題的場景。為什么茲威基一直沒有科學地位?為什么“暗物質(zhì)”至今得不到承認?從那個時候,她對科學界產(chǎn)生了敵視。
1993年,在大麥哲倫云中第一次發(fā)現(xiàn)了“暗物質(zhì)”存在的證據(jù),它的候選者之一“大質(zhì)量致密暈天體”(massive Compact Halo Objects,縮寫為 MACHOs)被美澳科學家組成的小組探測到了。巴巴麗娜本以為,茲威基生前最重大的發(fā)現(xiàn)“暗物質(zhì)”從此將被認可,在科學史上的地位會因此提高,而之后她卻發(fā)現(xiàn)了更多被她稱為“卑鄙和邪惡的詆毀”的記錄——1994年,加州理工大學物理學家基普#8226;索恩(Kip Thorne)在《黑洞與彎曲的時間》中寫道,“19世紀30、40年代同茲威基一起工作的天文學家,都把他當成引人不快的粗人”;同年出版的《完美機器》引用了“球體的雜種”的典故;1997年,蒂莫西#8226; 費利斯(Timothy Ferris)在書里說,“其實別人根本無法忍受他(茲威基)愚蠢的想法”,“球體的雜種”再一次被引用。巴巴麗娜一封接著一封回信反擊,她堅持認為這些享有聲譽的教授之所以在書里說謊是“出于對茲威基才華的嫉妒”。
2006年8月21日,“暗物質(zhì)”終于在美國國家航空航天局的錢德勒X射線望遠鏡下現(xiàn)身。研究小組將子彈頭狀巨大氣團(bullet cluster)的數(shù)據(jù)測量結(jié)果與太空望遠鏡拍攝的亮物質(zhì)照片相對照,發(fā)現(xiàn)了四個分散的物質(zhì)團,兩個較小的亮物質(zhì)團在后面,而前面兩個飛速遠離碰撞區(qū)域的巨大物質(zhì)團就是“暗物質(zhì)”。2007年,科學家甚至用電腦繪制成功了“暗物質(zhì)”的三維宇宙天圖。三維圖上的“暗物質(zhì)”并不好看,像是“變了形的土豆”,但這形狀奇特的天圖卻打消了人們對“暗物質(zhì)”的存在和弗里茨#8226;茲威基科學地位的懷疑。“宇宙太深奧了,它不肯將‘天機’一下子泄露給我們?!敝Z貝爾物理獎獲得者溫伯格(Weinberg)曾這么說。在“暗物質(zhì)”概念提出73年后,茲威基的女兒終于等來了世界對茲威基學術(shù)成就的肯定。巴巴麗娜開始更有底氣地向各個媒體提出“翻案”,她相信——或許只有她相信——茲威基“寬厚、仁慈”的形象也會像“暗物質(zhì)”一樣逐漸被人們接受,只不過那還需要更長一段時間。
邊欄:
大質(zhì)量致密暈天體(massive Compact Halo Objects,縮寫為 MACHOs)是由一些體積很小的大質(zhì)量重子物質(zhì)組成,被認為是構(gòu)成暗物質(zhì)的候選者之一。重子物質(zhì)就是我們通常所說具有質(zhì)量的物質(zhì),常見的重子比如原子核中的質(zhì)子和中子。大質(zhì)量致密暈天體可能是黑洞、中子星、褐矮星、自由行星、白矮星和非常微弱的紅矮星,由于自身不發(fā)光,所以它很難被探測到。
子彈星系團(bullet cluster)實際上是兩個星系迎面相撞并彼此穿越而形成的。在2006年的發(fā)現(xiàn)過程中,兩個星系團以每小時近兩億千米的高速撞到一起,它們內(nèi)部包含的發(fā)光物質(zhì)由于相互間存在引力之外的相互作用力,在相互擠壓的過程中速度減慢了。但是兩星系團中的暗物質(zhì)之間沒有這種作用力,它們并不減速,而是暢行無阻地直接穿過對方。結(jié)果暗物質(zhì)跑到了發(fā)光物質(zhì)的前面,
專訪南京紫金山天文臺空間天文實驗室主任常進(待回復中)
新知客雜志:
1、從1933年弗里茨#8226;茲威基首先提出“暗物質(zhì)”的概念,直至今天“暗物質(zhì)”研究成為現(xiàn)代天文、物理學研究的熱點,您認為中國在整個研究中的主要貢獻有哪些?
2、我們知道,2008年11月20日,《Nature》上發(fā)表了您與國外同行合作的宇宙高能電子空間觀測新發(fā)現(xiàn)《宇宙電子在3000-8000億電子伏特能量區(qū)間發(fā)現(xiàn)“超”》,第一次發(fā)現(xiàn)“暗物質(zhì)”粒子湮滅的證據(jù)。通俗來講,“超”指的是什么,同“暗物質(zhì)”有著怎樣的關(guān)系?
3、當時很多媒體形象地報道,說這次發(fā)現(xiàn)是人類第一次“觸摸”到了“暗物質(zhì)”,而關(guān)于2006年子彈星云的發(fā)現(xiàn),用的詞語多是“看見”。那么,“觸摸”這個詞在這里該如何理解?
4、關(guān)于“暗物質(zhì)”的成分,學界似乎仍舊眾說紛紜,您個人比較傾向于哪種觀點,“暗物質(zhì)”的組成可能是怎樣的?
5、今天國際上對于“暗物質(zhì)”的研究,除了可以增進人類對于宇宙和自身的了解之外,有沒有與普通人更加切實的聯(lián)系,比如帶來何種利益?