「宇宙中存在着“无法找到的质量”，这一想法最初并未进入天文学的主流，或许是因为人们难以相信这一点。天文学家对涡旋星系内的恒星轨道进行的超精确观察，改变了这一切。」

在20世纪60年代后期与70年代，华盛顿卡耐基学院地磁系（Department of Terrestrial Magnetism of the Carnegie Institution of Washington）的薇拉·鲁宾（Vera Rubin） 和肯特·福特（Kent Ford）开始研究螺旋星云。这些巨大的恒星旋涡占所有星系的 15%，其中当然也包括我们的银河星系。鲁宾和福特开始测量这些螺旋星云中的恒星的速度，想知道它们在围绕着庞大的中心“隆起”旋转时，到底有多快。

这两位天文学家挑选了一些看上去是侧向的螺旋星云，因为在这样的系统中，恒星是沿着我们的视线运动的。用一台超精密的光谱仪，他们能够以超越过去任何曾经有过的精度，测量恒星的速度。

在距离每片星云中心越来越远的位置上，恒星应该受到越来越弱的引力的作用。因此，鲁宾和福特推测，他们会发现恒星的旋转速度将越来越慢，这就与在我们的太阳系中，距离太阳越远的行星速度越慢的情况完全一样。

但他们最终发现，情况并非如此。

从每个螺旋星云的中心开始，一直到这两位天文学家能够看到恒星的最远距离，恒星的公转速度保持恒定。它们的旋转速度实在太快了，就像孩子们坐在加速运行的旋转木马上一样，它们应该被星云木马甩出来才对。它们应该在广阔的星际太空中遨游。无论用何种方式，它们的母星系都不可能束缚住它们。

但其实存在这种方式。

现代天文学家与他们的19 世纪先辈们具有一个共同点：他们都对牛顿引力定律有着无可动摇的信仰，因为该定律在多个世纪中留下了如此众多的成功记录。【1】于是，他们挺身而出，对恒星在螺旋星云中的反常运动提供了一项解释。与亚当斯和勒威耶为天王星的反常运动提供的解释相比，二者并非差之千里。天文学家们坚信，螺旋星云中的恒星没有投奔星际空间，个中缘由是，它们受到的引力并非仅仅来自用望远镜能够看到的那些物质，而是要比这多得多。

令人瞩目的观点是，每一个螺旋星云都镶嵌在广阔的“暗物质”球形云朵中，很像一张CD光盘镶嵌在一大群蜜蜂里。暗物质不会发光，或者至少不会发出足以被当前人类拥有的最精密的仪器发现的光，而且它们的数量通常是可见恒星的十倍。

海王星的发现仅仅证明，我们忽略了太阳系中一个行星的存在。暗物质的发现则比这个更严重了一些。它说明，我们忽略了宇宙中的大多数物质。

宇宙中的事物远远多于任何人的想象。实际上，告诉我们这一点的头几个线索出现在20世纪30年代。弗里茨·茨维基（Fritz Zwicky）是一位在帕萨迪纳的加州理工学院任职的瑞士裔美国天文学家，他当时在观察星系团。让他吃惊的是，他发现这些星系团的成员星系旋转的速度实在太快。按照一般规律，它们应该被甩到无穷远处才对。在差不多同一时间，荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort）发现，邻近太阳的恒星似乎正围绕着我们的银河系的中心高速旋转，其速度之快，用太阳轨道内任何可见物质的引力都无法解释。

茨维基的结论是，在星系团中肯定存在着大量其他物质；而奥尔特的结论是，在我们自己的银河星系中必定存在着大量物质，是望远镜看不到的东西。茨维基为这种物质起了一个名字：暗物质（德语为 Dunkle Materie）。正是这些暗物质的额外引力，维系了各自的星系与恒星。

在宇宙中存在着“无法找到的质量”，不知道为什么，这一想法最初并没有进入天文学的主流，或许这是因为人们难以相信这一点。鲁宾与福特对涡旋星系内的恒星轨道进行了超精确的观察，这一结果改变了一切。【2】他们对恒星的反常速度进行了测量，而且是大量的测量。没有人能忽视事实的存在。

引力能够做的还不只是揭示暗物质的存在，人们还可以用它来推导这些物质的分布。这是因为，在其前往地球的旅途中，来自遥远的星系的光会被它们穿过的暗物质的引力弯曲，或者说，会在通过暗物质“透镜”的时候受到“折射”。通过遥远星系形象的变形度或者说“弱引力透镜效应”，人们有可能推导暗物质的分布。人们现在正在智利（Chile）的一座山上建造一台可以利用这一效应的望远镜。大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope）是一种反效望远镜（anti-telescope），它完全颠覆了望远镜的概念。【3】通过接收到的光，它能显示黑暗的真容。

暗物质存在的证据不只来自涡旋星系，它们也同样来自另一个重要的地方。宇宙诞生于138亿2千万年前的一次巨型爆炸，人称宇宙大爆炸。从那时起它便一直在膨胀与冷却。大约1千亿个星系从逐步冷却的碎片中凝聚出来，其中包括我们的银河星系。有关这个图像的一个严重问题是，它无法预测宇宙的一个相当重要的特点：我们的存在。

星系之所以形成，是因为在大爆炸火球的某些区域的密度比其他区域略大（人们相信，在宇宙诞生后远远不到一秒钟的时间里，所谓“密度涨落”便通过“量子”过程镌刻在宇宙上，但这是另外一个故事了）。【4】由于在密度稍微大一点的区域内有稍强的引力，这些地区收罗物质的速度便高于其他区域，这进一步增大了它们的引力，于是收罗物质的速度又进一步加快。这与富人会变得更富的过程类似。但关键的一点是：这一过程太慢了。自从宇宙诞生以来，138亿2千万年的时间转瞬即逝，对于打造银河系这样庞大的星系来说，这段时间短得可怜：除非存在着比我们的望远镜能够看得到的东西多得多的物质，它们的引力才足以令星系形成，也就是说：必须有暗物质。

可见物质是那些形成了原子的物质，它们组成了你、我、恒星和星系。但宇宙中的暗物质多于可见物质，数量在5至6倍之间。事实上，一台名叫“普朗克”（Planck）的欧洲空间望远镜观察到了宇宙大爆炸火球发生之后的残光，因此我们的估算才更准确了一些。在宇宙中，4.9%的质量—能量是原子，26.8%是暗物质（其余68.3%叫作“暗能量”，直到1998年才被发现。它是看不见的，但填充了整个空间，具有排斥性引力，但那也是另一个故事了）。【5】

至于说到暗物质的身份，也就是它实际上是什么东西，你的猜测会和我的一样好。一种想法认为，它们是由迄今为止尚未发现的亚原子粒子组成的。还有一些猜测性的物理学理论，诸如“超对称”理论，其中假定有大量新的基本粒子，它们“感觉”不到电磁力，因此不会发出电磁波（即光）。另外一种想法认为，暗物质是由冰箱大小的黑洞组成的，每个的质量都如同木星一样庞大，是在宇宙大爆炸火球内存在的暴烈条件下生成的。【6】 

如果暗物质是由“原始”黑洞组成的，并假定它们在整个宇宙中均匀分布，则距离我们最近的一个大约在30 光年以外，10 倍于和我们最近的恒星半人马座阿尔法星（Alpha Centauri ）的距离。如果暗物质是由亚原子粒子组成的，那它们此刻便正在穿过你飞行，丝毫不受你的身体的原子的影响，就好像子弹飞过雾气一般容易。有关暗物质，只有一件事是肯定的：如果你能搞清楚它的身份，将会有一份诺贝尔奖奖金在斯德哥尔摩（Stockholm）等着你去领取。

注释

【1】在寻找比爱因斯坦引力理论更为深刻的理论的过程中，一种更为保守些的竞争途径叫作“圈量子引力理论”，见“Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity, Basic Books, London, 2002”。这一理论在量子层次描述引力，但并不尝试将它与其他力统一。而且，迄今尚未有任何人能够证明，它能广泛地走向广义相对论。

【2】实际上，夸克受到限制，只能有两种构形。一个夸克三元组能组成一个“重子”，它们中最常见的是质子和中子；而一个夸克-反夸克对能组成一个“介子”。实际上，夸克只是在低能状态下局限于形成重子与介子。在超高能量下，例如在宇宙大爆炸最初几个瞬间的那种能量状态下，它们能打破束缚它们的禁制，形成无定形的“夸克-胶子”等离子体。

【3】因为引力向各个方向泄漏，在距离一个质量体r的地方，它的效果在一个表面积为

4πr²的表面上分散，因此被稀释为1/（4πr²）。这就是引力是服从平方反比律的力的来源。

【4】当一种物体被冷却到它的电阻消失的时候，该物体就变成了超导体。而文中所说的正是在一个“超导体”内部的磁场发生的情况。在这一物质内部，磁场被限制在人称“磁流管”的狭窄管道之内。

【5】Gabriele Veneziano,“Construction of a crossing-symmetric, Regge-behaved amplitude for linearly rising trajectories”, Nuovo Cimento A, vol. 57, 1968, p. 190. 韦内齐亚诺的理论被称为“双管共振模型”，只是在以后才被称为弦理论。 

【6】Roy H. Williams,“String Theology”, 31 July 2006 (http://www. mondaymorningmemo.com/newsletters/string-theology/).

文章头图及封面图片来源：wonderopolis.org

（本文经授权节选自北京联合出版公司出版的《扔一个苹果到宇宙边缘》（2018年3月，（英）马库斯·乔恩/著，李永学/译），略有删改）

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