探索暗物质的前世今生

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高中生

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發表於 2020-7-30 18:58:50 |只看該作者 |正序瀏覽

宇宙、世界的万世万物，在物理学大类里分成很多小类，有宇宙学、有天文学、有生物力学、有凝聚态物理、有核物理，再有基本粒子物理。暗物质研究是非常特殊，它是介于粒子物理学和宇宙学之间的一门学问，是跨学科的研究。恒星的尺度大概是10的11次方米，有上千亿颗恒星会组成一个星系，这个星系尺度大概是在10的21次方米。上千个星系可以组成星系团，星系团尺度10的23次方米。星系团是人类所观测到最大的由自我引力形成的结构。所有的星系团和时空加起来，就是我们所观测到的宇宙。

暗物质存在最早的证据来自于瑞士和美国物理学家弗里茨·兹威基，他在上个世纪30年代做出了非常重要的工作，他做了什么样的事情？他选择了一个星系团进行了观测，他发现星系团里面星系的速度，运动的非常快，从高中的物理学知道，如果一个系统比较稳定，那么它的动能应该跟势能比较接近，势能是由所有的质量决定，如果它只考虑所有可见物质，它会发现动能比势能远远要大。这些星系速度太快，可以飞离星系团。但事实上观测到，所有星系都在星系团运动，他做了一个非常大胆的假设：有可能在星系团中，我们有看不见的物质提供了额外的引力把星系拉在了一起，他就把它叫做暗物质。

　　这是一个非常有意思的假设，但是在很长的一段时间里面没有得到重视。我想有非常多的原因：因为他是天才级人物，他做这样的预言，同时代的人不一定跟得上他的思路；还有一个有意思的原因，我想他是一个非常刻薄的人，他经常给他同事们起外号，比如说很多同事他叫做混蛋，叫做球状的混蛋。混蛋已经很刻薄了，为什么要叫球状的混蛋？因为不管从哪个角度看，他的同事都是一个混蛋，因为球是由最大的对称性，不管从哪个角度看，这个球都是一个球形的。这个问题在70年代得到了非常大的重视，这里重要的工作是由美国的女天文物理学家薇拉·鲁宾完成的。她选择了一些旋转星系来进行仔细的观察，就像银河系是一个旋转的星系，大概有2000亿颗恒星。它们都会绕着星系的中心旋转，所以天文观测中可以每一点，可以观测它旋转的速度，观测的结果就是由黄线所示。

　　这个很奇怪，因为根据牛顿万有引力，星系的旋转速度是由质量和距离一起决定的。因为旋转星系基本上所有的质量都集中在星系的中间，所以越到很外面，恒星旋转的速度就会越来越低，就像绿色这条线所显示。事实上不是这样的，事实上观测到的是接近于一个常数，那就意味着其实在星系里，有很多物质我们是看不到的，它们给这些外围的恒星提供了足够多的引力把它拉在一起。

　　我们可以从上图左下角里看例子。这个妈妈跟小孩在玩甩人的游戏，如果小朋友甩的快，旋转速度快，妈妈就需要用更大的力把他拉在一起，否则小孩就会甩到外面去，这是一个非常形象的例子来理解天文学的观测现象。