早在20世紀(jì)30年代，加利福尼亞理工學(xué)院的天文學(xué)教授弗里茨·茲威基（一位著名的科學(xué)家，其刻薄的性格是出了名的。他非常喜愛(ài)對(duì)稱性，甚至因此會(huì)將他的同事稱為混球，他的解釋是，無(wú)論從哪個(gè)角度看他們都是混蛋——所以是球形對(duì)稱的混蛋，就是混球）就認(rèn)識(shí)到，后發(fā)星系團(tuán)（距離地球3.23億光年的星系團(tuán)，由上千個(gè)星系組成）的偏遠(yuǎn)星系中的可見(jiàn)物質(zhì)移動(dòng)得太快以至于無(wú)法聚集起足夠的引力來(lái)使它們聚成團(tuán)。茲威基通過(guò)分析指出，大多數(shù)快速移動(dòng)的星系應(yīng)該被甩出星系團(tuán)(這就好像行駛中的自行車會(huì)甩出很多泥水一樣)，但我們卻沒(méi)有看到星系被甩出星系團(tuán)這樣的現(xiàn)象。

于是，茲威基假定該星系團(tuán)中還存在其他一些不能發(fā)光但是具有引力效應(yīng)的物質(zhì)，正是這些物質(zhì)使該星系團(tuán)聚在一起。通過(guò)計(jì)算，茲威基發(fā)現(xiàn)，要是這一解釋正確的話，星系團(tuán)質(zhì)量的絕大部分就應(yīng)該由這種不發(fā)光的物質(zhì)組成。1936年，威爾森山天文臺(tái)的辛克萊爾·史密斯發(fā)現(xiàn)了確實(shí)的證據(jù)，通過(guò)對(duì)室女座星系團(tuán)的研究，史密斯得到了類似的結(jié)論。但是，這兩個(gè)人的工作，連同后繼的一些工作，都存在著各種各樣的不確定性，使得人們還沒(méi)法確認(rèn)就是大量的不可見(jiàn)物質(zhì)的引力將星系聚成星系團(tuán)。

接下來(lái)的幾十年間，有關(guān)不可發(fā)光的物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證據(jù)越來(lái)越多，但只有美國(guó)女性天文學(xué)家薇拉·魯賓，以及肯特·福特和其他少數(shù)人的研究工作才真正抓住了問(wèn)題的關(guān)鍵。

美國(guó)女天文學(xué)家薇拉·魯賓

薇拉·魯賓和她的合作者的研究基于這樣一個(gè)事實(shí)：星系都是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其中的恒星和氣體環(huán)繞星系中心公轉(zhuǎn)(就像行星環(huán)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一樣)。

旋轉(zhuǎn)星系

她們研究了大量旋轉(zhuǎn)星系中的恒星和氣體環(huán)繞星系中心公轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，恒星和氣體的公轉(zhuǎn)速度是如此之快，理應(yīng)會(huì)脫離星系中心而飛散出去，就好像我們發(fā)射航天器的速度如果達(dá)到宇宙第三速度(16.7千米/秒)，那么航天器就會(huì)擺脫太陽(yáng)的引力束縛，從而脫離太陽(yáng)系進(jìn)入廣袤的宇宙空間。但是，我們卻沒(méi)有觀察到這樣的現(xiàn)象，恒星和氣體仍然以不可思議的高速度繞星系中心公轉(zhuǎn)。這就告訴我們，可見(jiàn)的星系物質(zhì)不可能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的引力以束縛住速度如此之快的恒星和氣體，除非它們被我們實(shí)際看到的多許多倍的物質(zhì)的引力束縛在一起，使之不能自由飛散出去。

但是我們?cè)趺礃硬拍軌驕y(cè)量遙遠(yuǎn)星系的公轉(zhuǎn)速度呢？對(duì)這樣遙遠(yuǎn)的地方，要想分辨出單獨(dú)的一顆恒星都很困難，更不用說(shuō)還要測(cè)量它們的公轉(zhuǎn)速度了。薇拉·魯賓和她的團(tuán)隊(duì)用了一種叫做多普勒效應(yīng)的方法(該方法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)詳見(jiàn)附錄)，她們比較了旋轉(zhuǎn)星系中心亮點(diǎn)兩側(cè)恒星發(fā)出的光的頻率，以此測(cè)定恒星繞星系中心的公轉(zhuǎn)速度。她們發(fā)現(xiàn)，既然星系是在旋轉(zhuǎn)的，那么其中一側(cè)的恒星是朝向地球方向運(yùn)動(dòng)的，而另一側(cè)的恒星則在背離地球而運(yùn)動(dòng)。

由于光的多普勒效應(yīng)，來(lái)自朝向地球運(yùn)動(dòng)的恒星的光頻率要比遠(yuǎn)離地球運(yùn)動(dòng)的恒星的光頻率高。這跟你在人行道上聽(tīng)到警車警笛聲時(shí)所感受到的現(xiàn)象是一樣的，當(dāng)警車駛近你的時(shí)候，你會(huì)覺(jué)得警笛聲的音頻變高了(聲音變尖銳)，而當(dāng)警車遠(yuǎn)離你而去的時(shí)候，你會(huì)覺(jué)得警笛聲的音頻變低了(聲音變低沉)。

聲波的多普勒效應(yīng)

從這兩個(gè)頻率之間的差異，薇拉·魯賓能夠算出恒星的公轉(zhuǎn)速度，并根據(jù)這個(gè)公轉(zhuǎn)速度推斷了出暗物質(zhì)的存在。

暗物質(zhì)提供的引力使得星系中的恒星和氣體被束縛在一起繞星系中心公轉(zhuǎn)，如果我們不假設(shè)暗物質(zhì)的存在，那么就無(wú)法解釋恒星和氣體為何會(huì)以如此之快的速度公轉(zhuǎn)而不被甩出星系。

暗物質(zhì)存在的線索2：引力透鏡

除了薇拉·魯賓的方法，天文學(xué)家還通過(guò)另外一種所謂的“引力透鏡”方法推斷出暗物質(zhì)的存在。

從遙遠(yuǎn)的星系到達(dá)地球的光，在其經(jīng)過(guò)的路程中，存在很多大質(zhì)量星系產(chǎn)生的引力場(chǎng)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)會(huì)使得光線被彎曲。

光線被引力彎曲

比如上圖，一顆恒星發(fā)出的光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的時(shí)候被引力場(chǎng)彎曲，地球上的觀察者沿著恒星的光線方向看到的恒星視位置實(shí)際上并不是恒星的真實(shí)位置，這有點(diǎn)類似于我們看見(jiàn)浸入水中的筷子是彎曲的現(xiàn)象，原因就是光線的路徑不是直線。

引力對(duì)光線的彎曲，就像一塊放大鏡對(duì)光線產(chǎn)生的彎曲一樣，也會(huì)產(chǎn)生類似于放大鏡的視覺(jué)效果，所以這種效果被稱之為'引力透鏡'。當(dāng)我們觀察位于星系背后的恒星的時(shí)候，由于恒星的光線被星系物質(zhì)產(chǎn)生的引力所彎曲，我們實(shí)際觀察到的恒星大小也被放大了，就跟放大鏡放大了物體一樣。

引力透鏡的放大效應(yīng)

甚至有時(shí)候，對(duì)于同一顆恒星，我們看到的卻是很多顆恒星，這同樣也是因?yàn)橐ν哥R效應(yīng)的造成的。

由于引力透鏡效應(yīng)觀察到多顆恒星

最近美國(guó)的韋布空間望遠(yuǎn)鏡公布了一張宇宙深場(chǎng)圖片，其中的一些連續(xù)亮光弧正是引力透鏡產(chǎn)生的效應(yīng)。

JWST宇宙深場(chǎng)

根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，如果星系的質(zhì)量越大，它所產(chǎn)生的引力就越強(qiáng)，從而造成的光線彎曲程度也會(huì)更大。如果宇宙中只有恒星、行星和星系際氣體這些可見(jiàn)物質(zhì)，那么我們所觀察到的光線彎曲程度一般來(lái)說(shuō)都是比較微弱的，也就是說(shuō)引力透鏡效應(yīng)的視覺(jué)效果是非常小的，因?yàn)檫@些可見(jiàn)物質(zhì)所產(chǎn)生的引力強(qiáng)度還不是那么強(qiáng)。但是實(shí)際的情況卻是，我們觀察到的光線被彎曲地非常明顯，引力透鏡的視覺(jué)效果非常強(qiáng)烈，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果有力地支持了暗物質(zhì)的存在。

暗物質(zhì)彌散在整個(gè)宇宙空間，我們的銀河系，以及許多別的星系，是浸在一團(tuán)巨大的球形暗物質(zhì)云中的，其直徑是可見(jiàn)星系直徑的許多倍。

浸在暗物質(zhì)中的星系

正因?yàn)橛辛税滴镔|(zhì)的存在，宇宙中的星系才會(huì)產(chǎn)生如此強(qiáng)烈的引力，導(dǎo)致光線被大幅度地彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生更加劇烈的引力透鏡視覺(jué)效果。

暗物質(zhì)存在的線索3：星系團(tuán)碰撞的質(zhì)量中心

上面我們說(shuō)到，星系之間實(shí)際上充斥著大量的星系際氣體，而且這些氣體的質(zhì)量遠(yuǎn)比星系內(nèi)的恒星物質(zhì)的質(zhì)量大得多得多。因此，如果有很多個(gè)星系(比如我們的銀河系)組成一個(gè)星系團(tuán)，那么同樣地，在星系團(tuán)內(nèi)部，星系際氣體的質(zhì)量也遠(yuǎn)比恒星物質(zhì)的質(zhì)量大得多得多。

當(dāng)兩個(gè)星系團(tuán)發(fā)生碰撞的時(shí)候，這些星系際氣體與組成星系團(tuán)的恒星物質(zhì)會(huì)發(fā)生分離。所以，理論上碰撞之后星系團(tuán)的質(zhì)量中心應(yīng)該還會(huì)集中在星系際氣體中，因?yàn)樾窍惦H氣體質(zhì)量遠(yuǎn)比恒星物質(zhì)的質(zhì)量大得多。如下圖所示：

但是，我們實(shí)際觀測(cè)到的碰撞之后的質(zhì)量中心仍然集中在上面紅色橢圓所示的區(qū)域，質(zhì)量中心并沒(méi)有如我們預(yù)想的一樣集中在星系際氣體的中心(圖中藍(lán)色橢圓的區(qū)域)。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果又一次出乎了我們的意料，因?yàn)槿绻淮嬖谖覀兛吹靡?jiàn)的這些物質(zhì)，那么大部分質(zhì)量不應(yīng)該集中在此處(圖中紅色橢圓的區(qū)域)，對(duì)此結(jié)果的一個(gè)直觀的想法就是：在星系團(tuán)周圍，還存在一種至今我們還看不見(jiàn)的物質(zhì)，并且這些看不見(jiàn)的物質(zhì)的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于可見(jiàn)物質(zhì)的質(zhì)量；星系團(tuán)發(fā)生碰撞之后，由于這些質(zhì)量更大的不可見(jiàn)物質(zhì)的存在，所以大部分質(zhì)量仍然集中在星系團(tuán)的中心(圖中紅色橢圓的區(qū)域)，這與我們的觀測(cè)結(jié)果保持一致。所以下面這張圖才是真實(shí)的星系團(tuán)碰撞圖像：

綠色部分就是不可見(jiàn)物質(zhì)，也就是暗物質(zhì)，它們的質(zhì)量遠(yuǎn)大于可見(jiàn)物質(zhì)。

暗物質(zhì)存在的線索4：恒星的形成

在宇宙誕生的初期，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)所謂的“黑暗時(shí)代”，也就是恒星還沒(méi)出現(xiàn)之前的時(shí)代。

宇宙中的黑暗時(shí)代

在這個(gè)黑暗的時(shí)代，宇宙誕生之后產(chǎn)生的氫元素和氦元素，才開(kāi)始在引力的作用下聚集，最后形成恒星。如果只存在氫和氦元素，那么他們之間的引力還不夠強(qiáng)，在這樣的引力強(qiáng)度下，氫和氦聚集成恒星的過(guò)程至少要幾百億年的時(shí)間。而我們的宇宙，至今也只有138億年左右的時(shí)間。這就意味著，在“黑暗時(shí)代”，如果我們的宇宙只有氫和氦，那么宇宙短暫的138億年時(shí)間和微弱的引力根本就不足以形成現(xiàn)在的恒星，我們的宇宙也不會(huì)演化成現(xiàn)在這個(gè)樣子。因此，解釋這個(gè)矛盾的一個(gè)直觀的想法依然是：宇宙中還存在一種不可見(jiàn)物質(zhì)，由于這些物質(zhì)的存在，大大加強(qiáng)了宇宙中的引力強(qiáng)度，從而加速了整個(gè)宇宙中氫和氦聚集形成恒星的過(guò)程。這些不可見(jiàn)物質(zhì)也就是暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)是什么？

雖然有很多線索間接地證明了暗物質(zhì)的存在，但是暗物質(zhì)究竟是什么？它們是由什么組成的呢？

很遺憾，直到現(xiàn)在也沒(méi)有人能給出肯定的答案。盡管天文學(xué)家和物理學(xué)家已經(jīng)就暗物質(zhì)是什么提出了很多種可能性——從各種奇異的粒子到小型黑洞，但暗物質(zhì)究竟是什么仍然是天文學(xué)和理論物理學(xué)中的一個(gè)主要未解之謎。目前我們沒(méi)有哪種已知的物質(zhì)形式能夠說(shuō)明它，科學(xué)家預(yù)期它是一種全新的物質(zhì)形式，它同尋常物質(zhì)的相互作用必定很弱，否則現(xiàn)在它應(yīng)當(dāng)已被我們直接發(fā)現(xiàn)了。但是不論它是什么，我們可以非常肯定地相信它就在我們周圍。也許每秒鐘就有幾十個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過(guò)你的身體，而不在你的身體上留下任何效應(yīng)。隨著我們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法的不斷進(jìn)步，相信在不久的將來(lái)我們會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中探測(cè)到它的存在。

為什么我們會(huì)這么自信？因?yàn)轭愃频那闆r在1914年至1955年期間曾經(jīng)發(fā)生過(guò)，這個(gè)例子就是中微子的發(fā)現(xiàn)。

20世紀(jì)初, 原子核物理學(xué)家研究了一種叫做  衰變的 “放射性衰變”。所謂  衰變就是一個(gè)原子核自發(fā)產(chǎn)生一個(gè)電子并把它從原子核內(nèi)射出的過(guò)程(即一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，電子迅速?gòu)脑雍酥信艹鰜?lái))。這個(gè)過(guò)程改變了原來(lái)的原子核。如果能量守恒，那么原來(lái)的原子核的核能應(yīng)該等于衰變后的原子核的核能加上射出的電子的能量。然而測(cè)量表明，衰變前的能量大于衰變后的能量，這違背了能量守恒定律。為了維護(hù)能量守恒定律的普適性和客觀自然性，物理學(xué)家們假設(shè)有某種未檢測(cè)到的粒子與電子一道射出，只要把這個(gè)粒子的能量也包括進(jìn)來(lái)，能量就會(huì)平衡。雖然當(dāng)時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到假設(shè)的粒子，但物理學(xué)家們認(rèn)為它的能量可以通過(guò)把原子核用一個(gè)鉛制大圓柱體圍起來(lái)而直接測(cè)出。雖然我們看不到的這個(gè)粒子，但是它肯定會(huì)在一個(gè)充分粗的鉛柱內(nèi)減慢并且停下來(lái)，并把它的能量交給鉛，從而引起鉛內(nèi)的溫度升高。然而我們并沒(méi)有觀測(cè)到溫度的升高。也許在  衰變中能量就是不守恒的。事情就這樣從1914 年一直持續(xù)到1930 年。玻爾等一些科學(xué)家在1929 年前提出能量守恒不適用于原子核。然而別的科學(xué)家不接受這種看法，1930 年物理學(xué)家泡利假設(shè)這種新粒子的穿透力是如此之強(qiáng)，以至于它能穿透很厚的鉛而不交出任何能量，一旦找到這個(gè)逃掉的粒子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)能量還是守恒的。

這就引發(fā)了對(duì)這種粒子的搜尋。不久, 物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)不同于   衰變的間接證據(jù)，他們把這個(gè)假想的粒子命名為 “中微子”。這個(gè)粒子最后在1956 年被直接探測(cè)到。實(shí)驗(yàn)表明，正如泡利所預(yù)言的，只要把中微子包括到收支賬目中，能量是守恒的。

我們相信暗物質(zhì)也會(huì)跟中微子一樣，最終會(huì)被我們?nèi)祟愒絹?lái)越精確的實(shí)驗(yàn)儀器所探測(cè)到，那將是一件里程碑性的工作。

雖然我們現(xiàn)在還不知道暗物質(zhì)究竟是什么東西，但是科學(xué)家們還是找到了辦法估算出了宇宙中的暗物質(zhì)含量，這個(gè)估算的結(jié)果完全顛覆了我們的固有認(rèn)知。暗物質(zhì)的含量竟然占了宇宙中所有物質(zhì)的23%，而我們尋常所見(jiàn)的恒星、行星等直接可見(jiàn)的物質(zhì)，以及星系際氣體、黑洞和中微子這些間接可見(jiàn)物質(zhì)，它們合起來(lái)僅僅占了宇宙中所有物質(zhì)的4%！原來(lái)我們一直以為的構(gòu)成宇宙的主要物質(zhì)，竟然少得如此可憐！

但是請(qǐng)稍等，23%加上4%不過(guò)才27%，剩下的73%去哪了？沒(méi)錯(cuò)，這剩下的73%正是所謂的“暗能量”，我將在下一篇文章中詳細(xì)介紹它，今天這篇文章就到此結(jié)束。下面是附錄的內(nèi)容，也就是多普勒效應(yīng)的公式推導(dǎo)，對(duì)數(shù)學(xué)不反感的同學(xué)可以繼續(xù)往下看，其實(shí)它的推導(dǎo)邏輯是非常簡(jiǎn)單的，只不過(guò)數(shù)學(xué)公式對(duì)大部分人來(lái)說(shuō)顯得很勸退，為了勸住更多的讀者，同時(shí)也為了避免影響文章的主線結(jié)構(gòu)，我用附錄的形式把這部分推導(dǎo)過(guò)程放在了文章最后面。

附錄：多普勒效應(yīng)公式推導(dǎo)

多普勒效應(yīng)是一種非常常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，它產(chǎn)生的根源是波源與觀察者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

下面我們分兩種情況討論這個(gè)效應(yīng)。

在不考慮相對(duì)論效應(yīng)的情況下，假設(shè)有一個(gè)傳播速度為  的波源，它的波長(zhǎng)為  ，固有振動(dòng)頻率為  ，波源發(fā)出兩個(gè)波峰的時(shí)間間隔就是波的振動(dòng)周期  ，這些物理量滿足下面的關(guān)系： 當(dāng)波源朝與觀察者相對(duì)靜止的時(shí)候，觀察者接收到的兩個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔也是波的固有振動(dòng)周期  ，即觀察者觀測(cè)到這個(gè)波源的頻率  。

現(xiàn)在，如果讓波源以速度  運(yùn)動(dòng)起來(lái)，比如朝向觀察者運(yùn)動(dòng)，那么波源發(fā)出兩個(gè)波峰的時(shí)間間隔仍然是  ，但是由于波源在運(yùn)動(dòng)，波源在發(fā)出第二個(gè)波峰的時(shí)候(即經(jīng)過(guò)時(shí)間  之后)，實(shí)際上它已經(jīng)朝向觀察者運(yùn)動(dòng)了一段距離  。所以波源發(fā)出的兩個(gè)波峰的距離是  ,所以觀察者接收到的兩個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔為： 所以，觀察者接收到的波源的振動(dòng)頻率實(shí)際上是： 很明顯，這個(gè)頻率已經(jīng)不再等于原來(lái)波源的固有振動(dòng)頻率  ，因?yàn)樗懊孢€有一個(gè)比例系數(shù)  。也就是說(shuō)，觀察者接收到的波的頻率已經(jīng)發(fā)生了變化，由于  ，所以  ，即觀察者接收到的波的頻率比原來(lái)波源的固有頻率  還要大，我們稱之藍(lán)移。這個(gè)頻率的變化幅度，也就是我們所說(shuō)的頻移量，可以表示為： 同樣地，當(dāng)波源遠(yuǎn)離觀察者的時(shí)候，觀察者接收到的兩個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔變?yōu)椋?nbsp;頻率為： 這時(shí)候頻率  ，因?yàn)楸壤禂?shù)  ，這種情況我們稱之為紅移。

如果我們考慮相對(duì)論效應(yīng)，那么頻率移動(dòng)的量就會(huì)有所不同。假設(shè)我們現(xiàn)在考慮的是光源的情況，即一個(gè)光源相對(duì)觀察者運(yùn)動(dòng)，光源的傳播速度是光速 c，頻率、周期和波長(zhǎng)我們依然記為  ，  和  ，則我們同樣有如下關(guān)系式： 其中，c就是光速。

與非相對(duì)論情況不同的是，當(dāng)光源朝向觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，光源在發(fā)出兩個(gè)電磁場(chǎng)波峰的時(shí)間間隔內(nèi)移動(dòng)的距離不再是  ，而是由于發(fā)生了相對(duì)論性的尺縮效應(yīng)，這個(gè)距離也變?yōu)椋?/span>

其中的   就是洛倫茲因子，它的表達(dá)式為： 。

又由于光速不變?cè)恚庠窗l(fā)出的兩個(gè)波峰的傳播速度在觀察者看來(lái)仍然是光速c，所以這兩個(gè)波峰在觀察者看來(lái)，其時(shí)間間隔為： 則觀察者接收到的光源的頻率為： 根據(jù)  ，我們可以繼續(xù)化簡(jiǎn)為： 由于  ，所以有  ，即發(fā)生頻率藍(lán)移。

如果我們根據(jù)  這個(gè)關(guān)系式，把上面關(guān)于頻率的關(guān)系式改寫(xiě)成關(guān)于波長(zhǎng)的形式，則有： 由于   ，所以有  ，即在觀察者看來(lái)，他所接收到的光的波長(zhǎng)變小了。在我們的光譜線中，波長(zhǎng)變小了，就相當(dāng)于譜線向頻率更高的藍(lán)光方向移動(dòng)，所以我們稱之為藍(lán)移。

同樣地，如果光源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的光的波長(zhǎng)和頻率與原來(lái)的波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系就變?yōu)椋?nbsp;  從這個(gè)結(jié)果中可以看出，原來(lái)根號(hào)內(nèi)的分子分母的加號(hào)和減號(hào)發(fā)生了反向變化。這時(shí)候觀察者接收到的頻率變小了，波長(zhǎng)變大了，即光譜線向頻率更低的紅光的方向移動(dòng)，所以我們稱之為紅移。

薇拉·魯賓正是通過(guò)多普勒紅移公式計(jì)算出了旋轉(zhuǎn)星系的公轉(zhuǎn)速度，即通過(guò)觀察朝向地球和遠(yuǎn)離地球時(shí)光頻率  和波長(zhǎng)  的變化，逆推計(jì)算出恒星的速度v。

參考資料：