暗物質，21世紀物理學天空的烏雲

1900年的4月27日，歐洲著名的科學家歡聚一堂。會上，英國著名物理學家威廉·湯姆生（即開爾文男爵）發表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩只是一些修飾工作。同時，他對20世紀物理學前景作出展望，「在物理學陽光燦爛的天空中漂浮著兩朵小烏雲」。而這兩朵著名的烏雲，分別誕生出了現代物理學兩大支柱：量子力學和相對論。然而，經過科學家們一百多年的努力，隨著對這兩朵烏雲認識的加深，21世紀物理學天空卻並未因此晴朗，一朵名為「暗物質」的烏雲向我們滾滾襲來。大多數科學家認為，宇宙中充滿了一種我們看不見的物質，它們甚至佔據了宇宙物質的85%。而近日，荷蘭理論物理學家Erik Verlinde提出了一種沒有暗物質的引力理論，引發了物理學界的地震。今天，我們就來聊一聊「暗物質」，這朵讓21世紀物理學家們徹夜憂慮的烏雲。看不見的存在每天我們都會通過手機、電腦等設備連接互聯網，互聯網是一個能夠承載數十億人同時在線的巨大載體，但社交網站上的大多數人並不會直接接觸，甚至連間接接觸都沒有。所以，大多數網民對持不同觀點的陌生群體毫不關心。而暗物質如同那些我們忽略掉的互聯網社群一般，我們在日常生活中並不會感覺到它的存在。因為它的作用非常弱，因而形成了獨特的一類，完全和普通物質分隔開來。

最早提出暗物質概念的是瑞士天文學家弗里茨·茲威基，他在1933年觀察了后髮座星系團中的星系速度。根據對恆星速度的測量，茲威基計算了星系團所需的質量總量，從而產生足夠的引力。結果他發現，所需的質量總量是所測量到的發光質量（產生光線的物質）總量的400倍。為了解釋這一結果，茲威基提出，存在一種額外的物質，並將其命名為「dunkle Materie」（德語對「暗物質」的稱呼）。事實上，茲威基並不是最早獲取這一發現的人，荷蘭天文學家簡·奧爾特、瑞典天文學家克努特·倫德馬克等人都曾發現星系團引力與可見物質量之間比值異常，但暗物質在相當長的一段時間裡基本上是被完全忽略的。這個想法在20世紀70年代才再次流行起來。天文學家對衛星星系（在大質量星系附近的小質量星系）的運動進行了觀測後發現，只有額外的看不見的物質存在時，才能夠解釋它們的運動。從20世紀70年代起，關於暗物質存在的證據變得越來越強，它占宇宙凈能量的比例被測量得越來越精確。據計算，暗物質占宇宙物質的85%，而普通物質，比如包含在恆星、氣體以及人體中的物質，只佔15%。跟普通物質的材料構成不同，暗物質不是原子或者我們熟知的不與光相互作用的基本粒子構成的，給它命名的科學家因為我們看不見它們而命名為「暗物質」。但在蘭道爾看來，「暗」這個稱呼是不合適的。通常情況下，我們看見暗的東西是因為光被吸收。而暗物質其實不暗，它是透明的或者說是無視光的。因為不與光發生作用，當光擊中暗物質時，不管是物質還是光，都不會因此改變。暗物質的這一特性也使得科學家們無法直接觀測到它們。引力透鏡效應，讓暗物質現形雖然沒有人能夠看見暗物質本身，但暗物質能夠通過引力影響它周圍的物質，甚至是光。多才多藝的弗里茨·茲威基第一個提出了通過引力透鏡效應來觀察暗物質，這個提議背後的想法是：位於其他地方的發光物體所產生的光線，會因為暗物質的引力效應改變其傳播路徑。位於傳播路徑途中的大質量天體（比如星系團）會導致發光物體的光線路徑發生偏折。當星系團足夠重時，路徑的偏折效應可以被觀測到。

發光物體在強引力透鏡作用下能夠產生多個像；在弱引力透鏡情況下，星系的形狀會被扭曲，不會產生多個像，因此能夠被應用於星系團的邊緣，在那裡，引力效應不是那麼明顯。就像星系團中星系的速度觀測結果導致了茲威基的第一個瘋狂結論一般，儘管暗物質本身不可見，但通過被偏折的光所產生的可觀測效應可以獲知星系團的總質量。引力透鏡效應非常有趣，在一定程度上它是一種直接看到暗物質的方式。

子彈星系團的引力透鏡效應子彈星系團是暗物質存在的最強證據 ，它由至少兩個星系團合併而成。合併前的星系團包含了暗物質和普通物質，也就是X射線輻射氣體。氣體能夠感受到電磁相互作用力，這能夠非常有效地阻止兩個星系團的氣體持續穿過彼此，導致的結果是最開始隨著星系團運動的氣體被阻擋在了中間部分。另外，就像子彈星系團所表現的那樣，暗物質不管是與氣體還是自身都幾乎沒有相互作用。所以它可以沒有任何阻礙地穿過，從而在合併星系團的外區形成類似米老鼠耳朵的球形形狀。氣體就像從不同方向來的車在並道之後導致的交通堵塞，而暗物質就像非常輕巧、可以自由移動的摩托車，能夠不受限制地通過。儘管暗物質不能被看到，它卻在宇宙結構的形成過程中扮演著舉足輕重的角色，暗物質是這個結構中還未被理解的大多數事物。如果暗物質在早期宇宙中不存在，那麼我們現在就不會在這裡品頭論足，更不要說得到宇宙演化的一致性圖景。沒有暗物質，宇宙就不會有足夠的時間形成現在的結構。暗物質團塊作為種子，促進了銀河系和其他星系或者星系群的形成。沒有星系，就不會有恆星，也不會有太陽系，當然也不會有生命。理論物理大師麗莎·蘭道爾宇宙三部曲2016年歲末之交，湛廬文化重磅推出「科學素養」書系（Scientific Literacy Series）。我們引進了近20位科學大師的前沿作品，更彙集了國內外最優秀、最頂尖的科學家，成立了以「嫦娥之父」歐陽自遠院士為主席的「科學素養」書系專家委員會。理論物理大師麗莎·蘭道爾的宇宙三部曲是我們推出的「科學素養」書系首套重磅大作。在此之後，我們還將出版更多精彩豐富的科普圖書，引領大家領略科學世界的風采。

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7:51 暗物質與恐龍 來自湛廬文化朗讀者：湛廬文化創始人、董事長韓焱）—轉載授權、商務合作—
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