奥运会田径比赛的链球项目,铜球上安着链子,运动员两手握着链子,经过预摆和3~4圈连续加速旋转及最后用力,将链球掷出,谁掷得远谁就胜。如果铜球被加速到一定程度,链子会不会断裂,铜球不再按照运动员的预期轨迹而自行飞离?答案是会的。但如果链子足够牢靠,且运动员的手有足够的力抓紧链子,链球就飞不出去,此时球跟着运动员同向同幅度运动。
宇宙中天体运行也像链球运动。在地月系统,地球是运动员,引力是链子,月球是链球;在太阳系,太阳是运动员,引力是链子,八大行星是链球;在银河系,银河系所有物质是运动员,物质形成引力,将各个恒星系甚至是在银河系边缘的星体紧紧抓着,绕着银河系中心做运动;再想广阔些,银河系也是一个链球,被室女座超星系团这个极为硕大的运动员牵引着绕着其中心运动。当然,我们还可以想的再广阔些……宇宙的天体运行结构大体如此。
万有引力让宇宙天体有秩序的运行,天文学家们认为它们运动的很有规律一切都很和谐,很好很好,直到1937年的一天有一个叫兹威基的天文学家观察了“后发座星系团”。兹威基所观察的后发座星系团,是一个孤立的、有许多星系的星系团,距离地球约3亿光年。他利用几十个星系的运动作为跟踪器,探测整个星系团组合在一起的引力场,发现它们的平均速度大得令人咋舌。速度大,那么引力必然很强,也就意味着后发座星系团的质量必定非常大。但兹威基把后发座星系团可见物质质量总量估算出来,发现远远小于从速度推算出来的质量总量。这也就是说,按后发座星系团可见物质总量所产生的引力,无法让星系团边缘的星系围绕着星系团运动,这些速度快得惊人的星系应该早就飞出去了。链球速度太快,那个运动员抓不住了,链球嗖的一声飞走了。“质量短缺?!”兹威基提出了这个问题。之后几十年,其他天文学家通过观察和测算,发现其他星系团也显示了同样的问题。
牛顿说,那怪我咯?不能,牛顿的理论经过250年的检验通过了所有的测试。
爱因斯坦说,那怪我咯?也不能,星系团的引力虽然强大,但还没有突出到需要用爱因斯坦广义相对论重锤来加以解释。
那总得找个解释吧?
1976年,一个叫鲁宾的女天文学家通过观测,推断必然存在着某种形式的暗物质,充满着整个星系。她研究了恒星绕着星系中心转动的速度,发现星系的可见部分中,越往外的恒星,速度就越快(这个很容易理解,链子10cm和10m,链球速度是完全不一样的,链子越长,链球就越快)。但她发现,处在星系圆盘之外的一些孤立的气体云和明亮的恒星,它们的轨道速度,本应该随着与中心的距离增加而下降甚至到将为零(引力大小与两者距离的平方呈反比),而事实上,其速度依然很高(这个理解有些难,运动员拉着链子在转,链球随之运动,突然他发现竟然有一个铜球在链球之外与链球同步运动,而那个铜球没有链子)。鲁宾认为星系中和星系边缘,存在着暗物质,而且这些暗物质远远超过星系可见的边缘,这些暗物质在星系周围形成了一种“晕”(如下图1,蓝色的云一样的就是想象中的暗物质形成的晕)。如果难理解,我们可以想个煎荷包蛋的画面,把整个星系想象成一个平底锅,星系可见部分是一个荷包蛋,荷包蛋之外的部分就是暗物质,暗物质形成了“晕”包围和充斥着星系。(如下图2)
存在着暗物质,这个解释,让天文学家们觉得对对对。但暗物质到底是什么呢?找不到这些东西,没搞清楚,就像高考时解不出最后两道数学题,心里那个难受。