在之前《再談平行宇宙可成真？》（《科普時(shí)報(bào)》2019年3月15日第3版）中，我介紹了將各種相容形式的超弦理論統(tǒng)一起來(lái)的M理論，解讀了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙可以存在一種叫做膜的面，并進(jìn)而判斷出或許宇宙本身就是一張膜，漂浮在一個(gè)十一維時(shí)空之中，并提及了暗物質(zhì)的概念。從這篇文章開(kāi)始，我將簡(jiǎn)單地介紹一下什么是暗物質(zhì)，以及與其相關(guān)的暗能量。

淺談?dòng)钪鏄?gòu)成中的暗物質(zhì)（上）

文 | 陳思進(jìn)

有“科幻界的莎士比亞”之美譽(yù)的H.G.威爾斯在科幻小說(shuō)《隱形人》中描寫(xiě)道，一個(gè)人如果漂浮于我們之上的第四維當(dāng)中，他就會(huì)隱形。想象有兩張平行的紙張，一個(gè)人漂浮于其中上方的紙張上，下面的人就看不到他了。

對(duì)此有科學(xué)家提出，暗物質(zhì)或許是一個(gè)漂浮于我們之上的、另一個(gè)膜宇宙中的普通星系。由此他們推斷，可以把我們的宇宙比作一張膜，我們?cè)谶@張膜上度過(guò)我們的一生。不過(guò)在我們的正上方，可能還有一個(gè)平行宇宙（之前我曾用三篇文章介紹了平行宇宙）徘徊在我們身邊，或許只是幾厘米的距離，這個(gè)平行宇宙的物體不可見(jiàn)，光在宇宙下面?zhèn)鞑?。所以，我們永遠(yuǎn)看不到這個(gè)平行宇宙里的星系。

但是，引力卻可以在宇宙之間通過(guò)。因?yàn)椋χ徊贿^(guò)是空間的彎曲（了解廣義相對(duì)論的讀者都知道），所以，如果兩張膜之間的空間稍微彎曲，引力就會(huì)在平行宇宙之間穿越。因此，雖然另一個(gè)宇宙中的星系是不可見(jiàn)的，但它會(huì)有質(zhì)量，而這可能正是暗物質(zhì)。它們具有引力，可惜我們看不見(jiàn)，因?yàn)樗c光或電磁力沒(méi)有相互作用。就此產(chǎn)生了這樣一個(gè)理論，認(rèn)為也許暗物質(zhì)只不過(guò)是另一個(gè)維度中的、在我們上方漂浮的普通物質(zhì)而已。

那么，科學(xué)家為何要引入暗物質(zhì)，他們又是如何引入暗物質(zhì)的概念呢？讓我們回到1932年，從頭開(kāi)始講起吧。

當(dāng)時(shí)，荷蘭天文學(xué)家楊·奧爾特在測(cè)量恒星到銀河系中心（以下簡(jiǎn)稱銀心）不同距離的速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，就是銀河系的旋轉(zhuǎn)曲線不正常（請(qǐng)見(jiàn)附圖，虛線A：開(kāi)普勒定律預(yù)測(cè)的漩渦星系（Spiral Galaxy）的旋轉(zhuǎn)曲線。實(shí)線B：實(shí)測(cè)的典型漩渦星系的旋轉(zhuǎn)曲線），實(shí)際觀測(cè)結(jié)果距離銀心越遠(yuǎn)的天體，旋轉(zhuǎn)速度就越大，而且在近距離有一個(gè)急速的增長(zhǎng)，之后就趨于平緩了。

這與我們從中學(xué)物理課中學(xué)到的不一樣呀，這是什么原因呢？

以太陽(yáng)系為例，根據(jù)開(kāi)普勒定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，很容易得到行星繞日的公轉(zhuǎn)速度與半徑之間的關(guān)系，速度的平方應(yīng)該是與距離成反比（或者說(shuō)速度應(yīng)該與距離的平方成反比），即距離太陽(yáng)越近的行星的公轉(zhuǎn)速度應(yīng)該越快，越遠(yuǎn)的行星公轉(zhuǎn)速度就應(yīng)該越慢。而事實(shí)上，太陽(yáng)系的八大行星的公轉(zhuǎn)速度的確符合這個(gè)規(guī)律：海王星最慢，水星最快。

再來(lái)看一下銀河系的旋轉(zhuǎn)曲線，是不是發(fā)現(xiàn)不對(duì)了？它不但沒(méi)有下降反而上升了，在距離銀心比較近的這一段，急速上升的過(guò)程還可以解釋?zhuān)D(zhuǎn)速隨著距離增加的模型倒也常見(jiàn)，如一個(gè)圓盤(pán)上距離中心越遠(yuǎn)的點(diǎn)，速度就是越快的，這叫“剛性旋轉(zhuǎn)”。

既然距離銀心比較近的地方出現(xiàn)剛性旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，我們就可以利用剛性來(lái)解釋問(wèn)題了。也就是說(shuō)，銀心是一個(gè)大黑洞。因?yàn)橐Υ螅祗w都往中間去，導(dǎo)致銀心附近的密度比較大，在一段距離之內(nèi)就是近似的一個(gè)剛性圓盤(pán)，這些點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度就是隨著距離增加的。

可是離銀心比較遠(yuǎn)的地方密度不夠大，那就應(yīng)該符合太陽(yáng)系的結(jié)果了吧——隨著距離的增加，速度是應(yīng)該降下來(lái)的。所以在理論上的預(yù)言：銀河系的旋轉(zhuǎn)曲線應(yīng)該先急速增加，然后隨著距離而下降。

不過(guò)問(wèn)題就出現(xiàn)在后半段：真實(shí)情況是并沒(méi)有降下來(lái)。

例如，我們的太陽(yáng)系距離銀河系中心2.6億光年，繞一圈要2.4億年左右。太陽(yáng)系的旋轉(zhuǎn)速度，就是以每秒240公里的速度圍繞銀心旋轉(zhuǎn)，速度非?？?，可牛頓告訴我們不可能這么快的，因?yàn)橐沁@么快，就不能形成穩(wěn)定的圓軌道，速度一快太陽(yáng)系就飛出去了，那么整個(gè)銀河系不就散架了嗎？但事實(shí)上銀河系并沒(méi)有散??！這就是問(wèn)題所在。

對(duì)此，科學(xué)家提出了兩種假設(shè)：

要么是牛頓錯(cuò)了，萬(wàn)有引力定律可能只適合太陽(yáng)系，在銀河系的尺度下就不適用了；要是牛頓沒(méi)有錯(cuò)，銀河系想要保持不散架，并具有現(xiàn)在的旋轉(zhuǎn)曲線，而我們的太陽(yáng)系也不被甩出去，那它的真實(shí)質(zhì)量就應(yīng)該比我們的預(yù)計(jì)的要大得多，可能是10倍左右，應(yīng)該是一團(tuán)比銀河系大得多的物質(zhì)把銀河系包圍住了，這一團(tuán)全部質(zhì)量分布的區(qū)域叫做星系暈。

這兩個(gè)假設(shè)在理論上確實(shí)都有可能存在（早期也確實(shí)有科學(xué)家研究修改牛頓引力理論，現(xiàn)在變少了，因?yàn)橛钟行碌淖C據(jù)出現(xiàn)）。所以?shī)W爾特在1932年，最早提出銀河系中可能有我們看不見(jiàn)的物質(zhì)在提供引力。

到了第二年（1933年），瑞士天文學(xué)家、加州理工學(xué)院教授佛里茨·茨威基把視線伸出銀河系，對(duì)準(zhǔn)了后發(fā)座星系團(tuán)，通過(guò)對(duì)星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度等數(shù)據(jù)，計(jì)算了整個(gè)星系團(tuán)應(yīng)該有的質(zhì)量，也就是動(dòng)力學(xué)質(zhì)量，然后再觀測(cè)了整體的光度，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)質(zhì)量比光度，這個(gè)比值就叫做“質(zhì)光比”（即質(zhì)量比上光度），來(lái)和太陽(yáng)的質(zhì)光比做比較。

茨威基通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，后發(fā)座星系團(tuán)的質(zhì)光比，要遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的質(zhì)光比。這說(shuō)明了后發(fā)座星系團(tuán)的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量要比光度質(zhì)量大。說(shuō)白了，我們看到的那些質(zhì)量，不足以讓它發(fā)出那么強(qiáng)烈的光，一定還有我們看不見(jiàn)的質(zhì)量。