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  核心提示:科学家们最早察觉到宇宙中可能还存在我们所看不到的物质,是在上世纪60~70年代。维拉?鲁宾(Vera Rubin)是美国华盛顿卡内基研究院地磁系的一位年轻的女性天文学家,当时她正在对星系中不同位置的恒星运动情况进行研究

  这是哈勃空间望远镜拍摄的星系NGC 1275,这个星系位于英仙座星系团核心部位。图中在其核心四周可以看到很多丝状结构,这是受其磁场固定的低温气体物质

首先观察到星系中恒星运动异常的美国女天文学家维拉?鲁宾

  每当夜幕降临,抬头仰望漫天星辰,人们会不禁感叹宇宙的广袤。但是你是否知道,宇宙中所能观测到的所有恒星、行星和星系,加在一起的总质量还不到整个宇宙质量的4%。宇宙中96%的部分是由一些神秘的物质组成的,科学家们看不到,探测不到它们,甚至无法想象出它们的摸样。

  这些神秘物质被称作暗物质和暗能量。尽管看不见摸不着,但是它们会对“可见宇宙”施加引力影响,而这种影响是能够被察觉到的。而暗物质和暗能量本身则仍然隐匿于黑暗之中,无影无踪。

  5月9日,在一场在美国纽约城市大学举行的演讲中,科学作家理查德?帕内克(Richard Panek)说:“宇宙主要的组成部分是什么?谁知道呢!”他继续解释说:“现在我们对此一无所知,也或许我们永远都搞不明白这个问题。”

  在帕内克的新书《4%的宇宙》中,他为读者们回顾了暗物质和暗能量的发现历程。这是一个充满惊奇的科学发现历程,也是一条科学家们互相激烈竞争,希望首先揭开谜底的探索之路。

  暗物质

  科学家们最早察觉到宇宙中可能还存在我们所看不到的物质,是在上世纪60~70年代。维拉?鲁宾(Vera Rubin)是美国华盛顿卡内基研究院地磁系的一位年轻的女性天文学家,当时她正在对星系中不同位置的恒星运动情况进行研究。

  根据牛顿的经典物理学,位于星系外部边缘的恒星,其运动速度应当相对较慢,而位于靠近中心部位的恒星运动速度较快。但鲁宾却观察到了让她震惊不已的情形:这些星系中不同位置的恒星根本没有显示出任何速度上的差异,它们似乎都以相同的速度围绕星系中央运行。

  帕内克解释说:“这意味着星系应该会被撕裂,分崩离析。因为这不符合引力理论,是完全不稳定的。鲁宾于是认定,自己一定是什么地方出错了。”

  但是,其他天文学家进行的重复观测证实了他的观察结果是正确的。最后,在经过大量的观测验证和计算机模拟之后,天文学家们不得不接受这样一个结果,那就是这些星系中必定存在大量我们看不到的物质。因为只有当假设我们所看到的物质只占星系全部物质的一小部分时,才能解释这样诡异的运动模式。困惑不已的科学家们于是便将这些看不见的神秘物质称为“暗物质”。

  那么,暗物质究竟在哪里呢?

  尽管40年来科学家们奋力工作,可是他们至今仍然无法搞清楚暗物质的本质究竟是什么这一问题。

  一个比较流行的观点认为,暗物质是由一种奇异的物质粒子组成的,这种粒子不会和常规物质发生反应,甚至和光也不会产生相互作用,因此是看不到的。但它却和常规物质一样具有质量,因此会对周边的其他物质产生引力影响,这就是为什么它会造成星系中恒星运动的异常,以及宇宙中其他不同寻常的现象。

  然而令人沮丧的是,物理学家们进行的长期搜寻工作仍然无法捕捉到这种奇异粒子的任何蛛丝马迹,甚至连根据其理论性质设计的专门实验也未能找到它的身影。

  帕内克认为,这样的状况给整整一代科学家们造成严重的打击。他说:“我认为对于暗物质的搜寻让科学家们产生了严重的挫折感。当他们年轻时,他们信心满满的进入这一领域,告诉自己说,‘好吧,就让我来解决这个棘手的问题吧。’但是在经过15年、20年之后,他们仍然没能取得任何进展。这时候他们就会非常沮丧。他们会对自己说‘我已经将我的整个科学生涯投入进了这项工作之中,可是我现在都不知道自己这辈子到底还能不能再这一领域取得一些新的发现。’”

  但是还是有很多满怀激情的物理学家们对此怀着希望。他们认为我们数十年来的工作正让我们逐渐接近真相,而位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)则将有望帮助我们最终找出暗物质的秘密。

  暗能量

  暗能量甚至比暗物质更加神秘莫测。它的发现更加晚,在可预见的将来,科学家们能解开它的奥秘的可能性更小。

  故事要从1990年代开始说起。当时有两个顶尖的物理学家小组正在从事宇宙膨胀方面的研究工作。他们的目的是想找出宇宙的膨胀究竟有多快,从而推测它的命运:宇宙究竟会永远膨胀下去。还是会最终收缩成为一点,形成所谓的“大反冲”。

  为了做到这一点,科学家们运用特殊的方法对宇宙中各个方向上的超新星进行测距。随后他们对这些天体目标进行光谱测量,以便了解它们远离我们的速率有多快。

  我们知道,由于光速的有限性,遥远天体发出的光需要花费数百万甚至数十亿年的时间才能到达地球。因此当我们观测遥远的天体时,我们其实是在回溯时间,目睹过去的时光。因此,对宇宙中不同距离上天体远离我们而去速度的测量,我们事实上正在观察宇宙不同时期膨胀速率上的差异。

  科学家们预计他们将观测到两种可能的情形:第一种是宇宙一直以一种近似相同的速率膨胀,第二种就是,随着宇宙年龄增加,膨胀动力逐渐减弱,膨胀速率随之变慢。

  但实际观测的结果再次让他们目瞪口呆。因为他们所看到的情况完全出乎他们的预料:宇宙正在加速膨胀!

  这样的事实无法用我们已知的任何物理学知识来解释。根据传统的物理学观点,宇宙中全体物质的引力应当会使宇宙膨胀减速,甚至开始收缩,正如我们抛出一个皮球,当它上升到一定的高度就会因为地球的引力而逐渐减速最后下落一样。

  帕内克解释说:“这就意味着,还有一种神秘的,宇宙尺度的巨大力量在对抗引力。科学界一开始完全无法接受这样的观点,因为这实在太诡异了。”

  激烈竞争

  科学家们这一次将这种神秘的力量命名为“暗能量”。尽管科学家们自己也搞不清楚这种神秘的力量究竟是什么,它来自何方?但是它似乎确实存在,并且竟然能够抗衡整个宇宙中全部物质引力的作用。

  但是,对这种神秘力量的完全无知并不能阻挡科学家们奋力揭开其谜底的激情。

  帕内克告诉美国太空网的记者说:“我不断听到的情况是,尽管在这个领域很难取得成就,并且前途不明。但是那些投身这一领域的科学家们仍然满怀激情,他们都在拼命工作,希望自己能首先解开这个谜团。这个问题所蕴含的巨大意义和深刻影响,让他们非常兴奋。”

  总体而言,暗能量大约占据全宇宙中73%的物质和能量,其余23%是暗物质。而我们能看到的一切,所有星系,所有恒星和行星,所有我们所知道的一切熟悉的事物,仅仅占据宇宙的4%。

  这两个相互竞争的科学家小组几乎在同一时间发现了这种令人震惊的事实。这种竞争随后开始一直持续,两个小组相互都讨厌对方。

  但是不管怎样,最终在科学的历史长河中,这两个小组的科学家们都已经用他们的工作留下了不可磨灭的功绩。

  帕内克说:“我想,对于暗物质的发现将让他们获得诺贝尔奖,这应该只是时间问题。”

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