偷窥狂与暗物质
對(duì)樓的小姐姐是個(gè)變態(tài)
天天拿望遠(yuǎn)鏡偷窺我
不行，我得守好自己的秘密
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從某種意義上說(shuō)，天文學(xué)家干的事兒和偷窺者差不多，他們都是充滿好奇心地觀察一些東西。
也許最大區(qū)別的是，天文學(xué)家看的東西更多、看的時(shí)間更長(zhǎng)，而且看得非常非常用心。
所以天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，比偷窺鄰居可刺激多了……?
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0. 前言
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咱們今天繼續(xù)說(shuō)尼爾·泰森的《給忙碌者的天體物理學(xué)》
?物理學(xué)家知道的很多事兒。
今天要說(shuō)的是一個(gè)物理學(xué)家還不完全知道，但是做夢(mèng)都想知道的事兒。?
在望遠(yuǎn)鏡剛剛出來(lái)的時(shí)候，它的放大倍數(shù)很低，既沒(méi)有軍事用途也沒(méi)有科學(xué)用途。
最早的望遠(yuǎn)鏡被稱為“偷窺鏡”，因?yàn)槿藗冑I(mǎi)望遠(yuǎn)鏡主要是為了偷窺鄰居。
當(dāng)然偷窺這個(gè)行為是很猥瑣，但是這也取決于你觀察鄰居的時(shí)候，到底看了什么、看了多長(zhǎng)時(shí)間，和你看的時(shí)候有多用心。
我就聽(tīng)說(shuō)過(guò)有人通過(guò)偷窺洞察了人性，還出了書(shū)，更新了世人的三觀。
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從某種意義上說(shuō)，天文學(xué)家干的事兒和偷窺者差不多，他們都是充滿好奇心地觀察一些東西。
也許最大區(qū)別的是，天文學(xué)家看的東西更多、看的時(shí)間更長(zhǎng)，而且看得非常非常用心。
所以天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，比偷窺鄰居可刺激多了。
?而今天這個(gè)內(nèi)容就好比說(shuō)，你發(fā)現(xiàn)有些鄰居的行為，實(shí)在太怪異了
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1. 少了很多東西
滿天星斗并非是雜亂無(wú)章的。
古人的思路是把星星劃分成“星座”，而今天的天文學(xué)家對(duì)星星之間的關(guān)系看得更清楚，他們的劃分思路是“星系”和“星系團(tuán)”。
我們這個(gè)太陽(yáng)，就處在“銀河系”這個(gè)星系之中。從地球上看，銀河是帶狀的——
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但是如果你能換個(gè)遠(yuǎn)方太空中居高臨下的視角，銀河系其實(shí)是盤(pán)狀的。
它有若干條螺旋臂，太陽(yáng)就位于銀河系的某個(gè)不起眼的螺旋臂的某個(gè)不起眼的位置。
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每個(gè)星系中可能有千億、甚至萬(wàn)億顆恒星。就好像行星圍繞恒星轉(zhuǎn)一樣，星系中的恒星也繞著星系的中心轉(zhuǎn)
—— 這當(dāng)然是因?yàn)樾窍祪?nèi)部這一大堆恒星集合在一起，給外面的恒星提供了一個(gè)向內(nèi)的引力。
像銀河系這樣的星系，宇宙中至少有千億個(gè)。星系們又組成星系團(tuán)，然后每個(gè)星系都繞著它所在星系團(tuán)的中心轉(zhuǎn)。
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在星系中間那廣闊的空曠地帶，其實(shí)也有很多物質(zhì)，包括矮星系、不屬于任何星系的孤單恒星、星系間氣體等等。
但是總體來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)就是這樣。
如果你把宇宙想象成一個(gè)國(guó)家，星系團(tuán)就好像是城市，這些城市就好像一個(gè)一個(gè)的島嶼散布在宇宙之中。
天文學(xué)家看著這些星系和星系團(tuán)，實(shí)在著迷。
1937年的時(shí)候，天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）仔細(xì)觀察了一個(gè)星系團(tuán)，叫“后發(fā)座星系團(tuán)”。茲威基選擇了后發(fā)座星系團(tuán)里的幾個(gè)星系，測(cè)量了這些星系繞著星系團(tuán)旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)速度。茲威基發(fā)現(xiàn)，這些星系的速度都太快了。
咱們可以做個(gè)實(shí)驗(yàn)體會(huì)一下。你拿一根比較長(zhǎng)繩子，比如說(shuō)耳機(jī)線吧，抓住一端快速甩動(dòng)，讓繩子繞著你手指旋轉(zhuǎn)。很明顯，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，你的手指就要越用力。如果轉(zhuǎn)動(dòng)速度特別快以至于你的手抓不住了，這個(gè)繩子就會(huì)飛出去。地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)也是這個(gè)道理，中心提供的引力越大，能支持的旋轉(zhuǎn)速度就越大。
星系繞著星系團(tuán)中心轉(zhuǎn)，也是這個(gè)道理。茲威基估算了后發(fā)座星系團(tuán)內(nèi)部大概有多少星系，這些星系總共有多大的質(zhì)量，能提供多大的引力。
他發(fā)現(xiàn)這個(gè)引力根本支撐不了外面星系旋轉(zhuǎn)的速度！那么高的速度，那幾個(gè)星系都應(yīng)該被甩出去才對(duì)！
茲威基非常相信自己的計(jì)算，他據(jù)此判斷，星系團(tuán)內(nèi)部必定還有一些我們看不到的物質(zhì)，提供了多余的引力。
此后天文學(xué)家們陸續(xù)考察了別的星系團(tuán)，結(jié)果每個(gè)星系團(tuán)都有這個(gè)現(xiàn)象。
到了1976年的時(shí)候，一個(gè)叫薇拉·魯賓（Vera Rubin）女天文學(xué)家又把目光對(duì)準(zhǔn)了恒星圍繞星系的轉(zhuǎn)動(dòng)。首先她注意到，在一個(gè)星系的可見(jiàn)部分之中，越往外的恒星，旋轉(zhuǎn)速度就越快。這個(gè)是可以理解的，越往外的恒星，它里面的恒星就越多，能提供的引力就越大。
然后魯賓在星系的最邊緣找了幾個(gè)恒星，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)恒星也是越往外速度越快。這就不對(duì)了，因?yàn)閺倪@里再往外，就已經(jīng)沒(méi)有多少恒星給它們提供更多的引力。
不論星系繞著星系團(tuán)轉(zhuǎn)，還是恒星繞著星系轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速都比天文學(xué)家計(jì)算的快得多。
咱們打個(gè)比方。這就好像你密切觀察你家的鄰居，你詳細(xì)記錄了每一個(gè)人的出行情況，發(fā)現(xiàn)他們平時(shí)都不出門(mén)，只在周末出去買(mǎi)點(diǎn)食物回來(lái)吃。你仔細(xì)測(cè)量了他們每周末買(mǎi)回來(lái)的食物都有什么，總共能提供多少熱量，結(jié)果你發(fā)現(xiàn)這些買(mǎi)回來(lái)的東西根本不夠一家人吃一周。
那這一家人是怎么生存的呢？
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2.黑暗的物質(zhì)
最合理的解釋，就是鄰居吃了一些你看不到的東西。物理學(xué)家把提供多余引力的東西，稱為“暗物質(zhì)”。
計(jì)算表明，想要維持那么高的速度，暗物質(zhì)不但要提供多余引力，而且必須提供很多很多引力才行
—— 暗物質(zhì)的總質(zhì)量，必須是已知物質(zhì)總質(zhì)量的6倍。
考慮到暗物質(zhì)，我們銀河系的圖像應(yīng)該是這樣的
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整個(gè)星系被一層厚厚的暗物質(zhì)包圍。暗物質(zhì)在星系中間比較濃，遠(yuǎn)離星系的地方慢慢變淡。因?yàn)槲覀兊奶?yáng)系只是整個(gè)星系中間的一小塊區(qū)域，行星和衛(wèi)星都太小，運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到暗物質(zhì)影響，我們沒(méi)感覺(jué)到。但是考察星系邊緣那些恒星的運(yùn)動(dòng)，影響就非常明顯了。
?暗物質(zhì)到底是什么東西呢？我們的第一反應(yīng)，也許暗物質(zhì)就是一些比較“暗”的正常物質(zhì)，因?yàn)樘盗宋覀儧](méi)看到而已。
而物理學(xué)家已經(jīng)排除了這種可能性。咱們先一個(gè)一個(gè)地?cái)?shù)。
暗物質(zhì)是黑洞嗎？
黑洞其實(shí)是可以探測(cè)到的。黑洞在很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的引力，周?chē)求w會(huì)繞著黑洞轉(zhuǎn)，我們一看那些星體的軌道，就知道中間有個(gè)黑洞。
暗物質(zhì)是星際間的氣體云嗎？
也不是。遙遠(yuǎn)的星光穿過(guò)氣體云，會(huì)受到影響，但我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)到這種影響。
暗物質(zhì)有沒(méi)有可能是一些散布在空間沒(méi)有恒星“主人”的流浪行星呢？
這也不太可能。你要知道，我們太陽(yáng)系總重量的4/5在太陽(yáng)上，而不是行星上 —— 宇宙中不太可能是行星集中那么大比例的質(zhì)量。
就好像中學(xué)生解數(shù)學(xué)題要用兩種不同方法求解一樣，物理學(xué)家還可以從另一個(gè)方面證明暗物質(zhì)不是尋常物質(zhì)。
物理學(xué)家計(jì)算表明，大爆炸產(chǎn)生的氫原子和氦原子核的比例是 10 : 1，這個(gè)比例還可以跟宇宙微波背景輻射的觀測(cè)結(jié)果對(duì)上號(hào)
—— 宇宙創(chuàng)生中所有的核反應(yīng)都在這里了。
那也就是說(shuō)，暗物質(zhì)根本就沒(méi)參與核反應(yīng)！
目前所有的儀器都測(cè)不到暗物質(zhì)。物理學(xué)家知道的四種相互作用，暗物質(zhì)很可能除了引力之外，其他都不參與。
咱們想想這個(gè)東西。除了引力，我們?cè)谏钪?#xff0c;在原子核之外，所能感受到的所有“力” —— 我們能看到光、我們被什么東西打一下會(huì)疼，這些都是電磁力。可是暗物質(zhì)不參與電磁力。
這就是說(shuō)，你的房間里遍布著一種特殊粒子構(gòu)成的氣體。這種粒子可能比質(zhì)子、中子都大很多，也很重。可是你摸不著它、看不到它，就算用上各種先進(jìn)儀器，也完全感受不到它的存在。你任憑它在你的身體中穿過(guò)。
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3.各種可能性
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早睡早起就是宇宙和諧的真正奧義！！！ ?
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總結(jié)
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