发现宇宙黑暗面

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“暗物质”研究的最新进展和中国有关。紫金山天文台与国外同行合作，发现了一种物质，可能是“暗物质”粒子湮灭的产物。当2009国际天文年到来，从天文学研究到科幻故事，“暗物质”话题将更为科学家、普通天好者所津津乐道，但在1933年，却几乎没有人愿意像弗里茨•兹威基一样，相信宇宙的大部分质量是人们看不到的。

如果要列出“20世纪最受冷落科学家”的单子，弗里茨•兹威基（Fritz Zwicky）肯定会排得靠前，尽管在宇宙学领域，他的位次可能紧跟阿尔伯特•爱因斯坦。在科学史上寻找这个瑞士天文学家，倒有点像在宇宙中间寻找他提出的“暗物质”――由于“暗物质”不发散光，不吸收光，不反射光，人们根本看不见它。或许兹威基的想法超越了他的时代。但假如这个科学家的个性不那么古怪的话，不知道他的名字是否还会在70多年中被同僚无视。

“下落不明的质量”

20世纪，天文学的许多重大发现同美国加州的威尔逊山有关。在1917、1947年间，当时世界上最大的天文望远镜就在威尔逊山上，口径有100英尺，著名的爱德温•哈勃(Edwin P. Hubble)通过它观测到星系正离我们远去，提供出一幅宇宙膨胀的图像，暗示存在着一个“大爆炸”的时刻。兹威基觉得，那时的威尔逊山就是“宇宙的中心”。威尔逊山距离兹威基任职的加州理工大学（Caltech）不远，从学校操场就可以遥望这座山清晰的轮廓，这让他时常想起多山的瑞士老家。1925年，获得1922年诺贝尔物理奖的密立根（Millikan）教授引荐他来到这里，换成别人一定会为教授的器重而感激和荣幸，然而兹威基对于这位推荐者的态度却很不屑，甚至当面指责密立根“从未提出过好的想法”。当密立根善意地提醒这个年轻人先要自我反省时，兹威基却宣称自己不必担心，因为“每隔两年就能蹦出好点子”。他这么说或许不完全是吹牛，在1933年，兹威基脑子里就冒出了“暗物质”的点子。

“遥远的星系团里有一些物质很独特，它们既不发光，也不吸收光、反射光……”兹威基的意思是，宇宙中存在你我看不到的物质，但它们有质量。事实上，暗物质不仅拥有质量，它的质量甚至是可见物质的6倍，占到宇宙物质成分的24%；另外72%是暗能量，一种充溢宇宙空间的能量形式，同样不可见。在进入21世纪前，人们竟然被告知，可见的一切在茫茫宇宙的质量划分中都不能占到多数。“要承认我们宇宙超过90%都看不到多少有些尴尬”，华盛顿大学的教授布鲁斯•珈诺（Bruce Margon）在《纽约时报》上说，“大自然在嘲笑人类，她把宇宙的绝大部分藏了起来。”

但兹威基还是找到了它。1933年的美国经济大萧条似乎同这个对星星着迷的35岁男人毫无关系，当时他已经是加州理工大学的首位天体物理学家，可以把注意力完全放在后发座星系团（Coma Cluster）上面了。这个星系团就在我们熟悉的狮子座附近，由1000个大星系，30000多个小星系组成。据说，得名自一个与埃及法老托勒密三世王后的头发有关的传说。对神话故事，兹威基当然不关心，他的忧虑在一堆写着密密麻麻数字、符号的算草纸上。

要测量星系团的质量，一般两种方法。“动力学质量”计算，需要的数据是各星系之间的相对速度和平均速度，而“光度学质量”要求测量各星系的光度。兹威基分别利用这两种算法计算后发座星系团的质量，结果不可思议：“动力学质量”是“光度学质量”的400倍！为什么后发座星系团有99%的质量“下落不明”？难道“动力学质量”中用到的牛顿运动定律不再适用？或者，星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的？兹威基用他那最具幻想的头脑做出了以下推测：宇宙大部分质量不可见，因此光度方法测算不出。于是，有了“暗物质”一词。

似乎大多数人还是信奉“眼见为实”，在当时，“暗物质”这个概念被彻底忽略了。相反，兹威基本人的恶名倒比“暗物质”的名称传播得快。

当传道牧师谈到《圣经》的“创世纪”部分，“上帝说：‘要有光！’便有了光……”，兹威基立即表示，如果加上一句“而且，有了电磁场”将会更好。类似的谈话肯定不止这一次，这个瑞士人当然可以决定在各个信仰间保持中立，但这种玩世不恭的态度显然不会被人们喜欢。其他天文学教授常要忍受兹威基带有学术尖酸味的辱骂，比如：“球体的杂种”。为什么是球体？兹威基的解释――“因为我看过去，不论从哪一个方向，他们都是杂种。”当他暂时离开他亲爱的星星，谈论起同事，那大鼻子上的两只眼睛里只有轻蔑。其他科学家没有忘记兹威基是如何对待自己的伯乐密立根教授的，于是尽量避开他，以免自己的研究成果被叫做“一堆无用的垃圾”。

在威尔逊山天文台

幸好不是人人都想躲着兹威基，比他大五岁的德国天文学家沃尔特•巴德（Walter Baade）就是个例外。巴德同兹威基恰恰相反，他的“温和、谦逊，容易接近”已被公认，也许是互补的性格使他们对对方产生了某种吸引，自从巴德转到威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）――就建在曾被兹威基称为“宇宙的中心”的威尔逊山上――工作，两人的名字就开始同时出现。尽管兹威基时不时会因为巴德的德国血统大骂“纳粹”，但人们发现两人关系其实越来越密切。他们在为一种新的理论而狂热，兹威基投入其中的精力多少分散了由于“暗物质”被忽视所带来的失望情绪。1934年，他和巴德在《国家科学院学报》上推出了这个新概念――“超新星”。

当“新星”爆炸，光度在短时间内成千万倍增加，以致宇宙中像是出现了新的星体。这个过程有点像恒星重生，因此，国内科学家喜欢将“新星”比作涅的凤凰。而兹威基发现，“超新星”会更加猛烈地爆发，光度增加甚至超过一亿倍。爆炸前，“超新星”是普通恒星，当这颗恒星的核心达到与原子核相当的密度时，内部发生爆炸。恒星将抛掉大部分质量，突然失去支撑自身重量的压力，坍缩成为一颗毫无生气的超致密残骸――“中子星”。兹威基能感觉到“超新星”的概念如此重要，不仅干预星系的形成、演化，甚至可以用作测量宇宙膨胀的标尺。但除了巴德，似乎没有人愿意站在他一边。1934年1月19日的《洛杉矶时报》，甚至一本正经地调侃，“星体爆炸释放出火焰，看上去像是一亿颗太阳。然后，突然，星体的直径由50万英里缩到了14英里……”在任何正常人看来，这显然是不可能的。

“暗物质”带给兹威基的无奈在于它无法观测，但“超新星”不一样，一亿颗太阳的亮度绝对不难发现。1936年，兹威基说服加州理工大学，在威尔逊山东南方的帕洛马天文台（Palomar Observatory）上建起了口径48英尺施密特望远镜。人们可以大概猜出兹威基的目的：施密特望远镜比其他望远镜有更大的清晰视场，特别适合巡天观测。比如，寻找超新星。施密特望远镜架在帕洛马天文台屋顶开口的下面，就像一门对准星空的白色大炮。兹威基已经习惯跟这个庞然大物在一起，当他一次次将眼睛对准目镜，他所发现的“超新星”的数字也在增加。1935年到1940年之间，这个数字是14颗，占1930年代人们发现超新星总数的一多半。而在其一生中，他总共发现了122颗“超新星”，这一纪录直到2006年才有人打破。人们不禁疑惑，他在数星星上表现出的执着会不会是“暗物质”那件事上压抑的一种释放。

在加州理工大学，可能由于兹威基在为人师表上做的真是很糟糕，这个辛勤的天体观测者早已失去了教授应得的尊敬。那座学校里有很多对他不利的传闻。有学生说，当他跟其他同学一起去兹威基教授家，教授的妻子是这么招呼教授的――“下楼来吧，小杂种们过来了!”这不能不让人怀疑，在兹威基家里，“杂种”就是他对学生的一贯称呼。在1974年，甚至有学生找到某家杂志，要求通过媒体揭发兹威基“对学生带有虐待性的苛刻要求”。那本杂志的编辑听了学生的抱怨，准备找个机会同兹威基教授谈谈，但不久，就听说了他去世的消息。

迟来的发现

兹威基去世13年后，他最小的女儿巴巴丽娜•兹威基(Barbarina Zwicky)走进加州理工大学的一家书店，翻开一本叫做《理查•普雷斯顿的第一道光》的书。她以为这本书讲的是帕洛马天文台的望远镜，但首先读到的段落却跟已故的兹威基有关――“兹威基叫巴德‘纳粹’……他把帕洛马天文台的天文学家都称作笨蛋……他总是使用最肮脏的词汇咒骂其他人……甚至巴德都恐惧地表示‘可能有一天会被兹威基杀掉’……”。这可不是巴巴丽娜所熟知的老爸兹威基，她能回忆起的，是兹威基微笑着问自己要什么礼物，一起熬夜攻克代数、地理难题的场景。为什么兹威基一直没有科学地位？为什么“暗物质”至今得不到承认？从那个时候，她对科学界产生了敌视。

1993年，在大麦哲伦云中第一次发现了“暗物质”存在的证据，它的候选者之一“大质量致密晕天体”（massive Compact Halo Objects，缩写为 MACHOs）被美澳科学家组成的小组探测到了。巴巴丽娜本以为，兹威基生前最重大的发现“暗物质”从此将被认可，在科学史上的地位会因此提高，而之后她却发现了更多被她称为“卑鄙和邪恶的诋毁”的记录――1994年，加州理工大学物理学家基普•索恩（Kip Thorne）在《黑洞与弯曲的时间》中写道，“19世纪30、40年代同兹威基一起工作的天文学家，都把他当成引人不快的粗人”；同年出版的《完美机器》引用了“球体的杂种”的典故；1997年，蒂莫西• 费利斯（Timothy Ferris）在书里说，“其实别人根本无法忍受他（兹威基）愚蠢的想法”，“球体的杂种”再一次被引用。巴巴丽娜一封接着一封回信反击，她坚持认为这些享有声誉的教授之所以在书里说谎是“出于对兹威基才华的嫉妒”。

2006年8月21日，“暗物质”终于在美国国家航空航天局的钱德勒X射线望远镜下现身。研究小组将子弹头状巨大气团(bullet cluster)的数据测量结果与太空望远镜拍摄的亮物质照片相对照，发现了四个分散的物质团，两个较小的亮物质团在后面，而前面两个飞速远离碰撞区域的巨大物质团就是“暗物质”。2007年，科学家甚至用电脑绘制成功了“暗物质”的三维宇宙天图。三维图上的“暗物质”并不好看，像是“变了形的土豆”，但这形状奇特的天图却打消了人们对“暗物质”的存在和弗里茨•兹威基科学地位的怀疑。“宇宙太深奥了，它不肯将‘天机’一下子泄露给我们。”诺贝尔物理奖获得者温伯格（Weinberg）曾这么说。在“暗物质”概念提出73年后，兹威基的女儿终于等来了世界对兹威基学术成就的肯定。巴巴丽娜开始更有底气地向各个媒体提出“翻案”，她相信――或许只有她相信――兹威基“宽厚、仁慈”的形象也会像“暗物质”一样逐渐被人们接受，只不过那还需要更长一段时间。

边栏：

大质量致密晕天体（massive Compact Halo Objects，缩写为 MACHOs）是由一些体积很小的大质量重子物质组成，被认为是构成暗物质的候选者之一。重子物质就是我们通常所说具有质量的物质，常见的重子比如原子核中的质子和中子。大质量致密晕天体可能是黑洞、中子星、褐矮星、自由行星、白矮星和非常微弱的红矮星，由于自身不发光，所以它很难被探测到。

子弹星系团(bullet cluster)实际上是两个星系迎面相撞并彼此穿越而形成的。在2006年的发现过程中，两个星系团以每小时近两亿千米的高速撞到一起，它们内部包含的发光物质由于相互间存在引力之外的相互作用力，在相互挤压的过程中速度减慢了。但是两星系团中的暗物质之间没有这种作用力，它们并不减速，而是畅行无阻地直接穿过对方。结果暗物质跑到了发光物质的前面，

专访南京紫金山天文台空间天文实验室主任常进（待回复中）

新知客杂志：

1、 从1933年弗里茨•兹威基首先提出“暗物质”的概念，直至今天“暗物质”研究成为现代天文、物理学研究的热点，您认为中国在整个研究中的主要贡献有哪些？

2、 我们知道，2008年11月20日，《Nature》上发表了您与国外同行合作的宇宙高能电子空间观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》，第一次发现“暗物质”粒子湮灭的证据。通俗来讲，“超”指的是什么，同“暗物质”有着怎样的关系？

3、 当时很多媒体形象地报道，说这次发现是人类第一次“触摸”到了“暗物质”，而关于2006年子弹星云的发现，用的词语多是“看见”。那么，“触摸”这个词在这里该如何理解？

4、 关于“暗物质”的成分，学界似乎仍旧众说纷纭，您个人比较倾向于哪种观点，“暗物质”的组成可能是怎样的？

5、 今天国际上对于“暗物质”的研究，除了可以增进人类对于宇宙和自身的了解之外，有没有与普通人更加切实的联系，比如带来何种利益？