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“名譽是短暫的，‘我’的數(shù)量比我的名字更重要。如果天文學界多年后仍在引用我的數(shù)據(jù)，才是對我最大的恭維?！?br>

——薇拉·魯賓

【薇拉·魯賓的發(fā)現(xiàn)】

或許你沒聽過薇拉·魯賓（Vera Rubin），但我相信你肯定聽過什么是暗物質(zhì)。正是薇拉·魯賓找到了暗物質(zhì)存在的確鑿證據(jù)。

其實早在1930年代的時候，弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）就在研究后發(fā)星系團的時候發(fā)現(xiàn)，在星系團內(nèi)的星系運動速度異常的快。他通過維里定理（Virial theorem）推算出星系團的質(zhì)光比（mass to light ratio）大約為500，換句話說后發(fā)星系團應該存在著大量看不見的物質(zhì)。雖然他的研究并沒有引起很大的注意，但那是第一次讓我們意識到宇宙可能存在著黑暗的一面。

直到1960年代末，薇拉·魯賓通過光譜分析測量了仙女座星系中心和邊緣的恒星運行速度。根據(jù)牛頓的引力定律，當恒星離銀河系中心越來越遠的時候，它的速度也會變得越來越慢，比如在太陽系（下圖左）中，冥王星需要248個地球年才能繞太陽一圈，而水星（比冥王星大一點）只需要88個地球日。然而，當我們預期在星系的旋轉(zhuǎn)曲線中看到同樣的情況時，薇拉·魯賓對仙女座星系的測量結(jié)果震驚了所有人（下圖右）。

我們看到，當恒星距離星系中心越來越遠的時候，速度并沒有減少，而是保持均速。如果薇拉·魯賓的測量是正確的，星系中的可見物質(zhì)根本無法維系恒星，因此必須存在著大量我們看不見的物質(zhì)提供了額外的引力來源，否則星系早應該分崩離析。

之后，薇拉·魯賓測量了更多的星系，發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象并不只存在于仙女座星系，而是所有他們測量的螺旋星系?？茖W家也發(fā)現(xiàn)星系中的氣體也跟恒星一樣，保持著相同的速度。薇拉·魯賓的發(fā)現(xiàn)得到了其它實驗結(jié)果的支持。天文學家在星系團、微波背景輻射等觀測中找到了更多暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

【暗物質(zhì)是什么？】

雖然我們知道暗物質(zhì)的確存在，并且占據(jù)宇宙能量和質(zhì)量的26.8%，但是科學家從來沒有在實驗中直接探測到它們。我們知道暗物質(zhì)不是什么，要比知道它是什么了解的更多。

從天文學觀測中，我們可以得出如下結(jié)論：暗物質(zhì)不發(fā)光、穩(wěn)定、電中性和物質(zhì)的相互作用很弱。在和所有已知的標準模型粒子進行比對后，科學家發(fā)現(xiàn)沒有一種粒子符合暗物質(zhì)的特性，因此很可能是一種超越標準模型的新粒子?？茖W家提出了許多的模型，下面是一些最強有力的暗物質(zhì)粒子候選者：

• 弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）：WIMP被認為是最有希望的暗物質(zhì)候選者，它的質(zhì)量非常大，而且它們之間只存在弱相互作用和引力。在早期宇宙中，暗物質(zhì)應該充滿了整個宇宙，并且和它對應的反粒子相互湮滅。根據(jù)理論計算，WIMP的剩余豐度與今天宇宙學觀測所得到的暗物質(zhì)密度一致，這被稱為WIMP奇跡。

• 軸子（Axion）：在1970年代，Helen Quinn和Roberto Peccei為了解決強Cp問題就提出了軸子的存在。與WIMP相反，軸子的質(zhì)量要比電子還輕大約100億倍。軸子場也出現(xiàn)在弦理論以及其它試圖擴展基本物理定律的理論之中。（可查看《一個理論，同時解決物理學的五個大問題》。）

• 惰性中微子（Sterile neutrinos）：夸克、電子以及幾乎所有其它物質(zhì)粒子都同時存在左手性和右手性。但是現(xiàn)在已觀測到的三種不同的中微子都是左手性的。許多理論學家預言應該存在還未發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量更大的右手性中微子，而且很少發(fā)生相互作用，這種粒子被稱為“惰性”中微子。惰性中微子與普通物質(zhì)只發(fā)生引力相互作用，科學家相信它也是暗物質(zhì)的候選者之一。

• 超中性子（Neutralino）：是一種由超對稱理論預言的假想粒子。超對稱理論假設標準模型中所有的基本粒子都有與之對應的超對稱粒子，這些粒子足以構(gòu)成暗物質(zhì)，但它們都極難探測到。其中最容易被觀測到的就是超中性子。如果能發(fā)現(xiàn)中性微子就可以解決兩個重大難題：告訴我們什么是暗物質(zhì)，以及證明超對稱理論的存在。

• 卡魯扎-克萊因暗物質(zhì)（Kaluza-Klein dark matter)：早在1920年代的時候，卡魯扎和克萊因發(fā)現(xiàn)，只要給空間多加一個維度，引力和電磁力就可以被統(tǒng)一了。而這個維度被卷曲的太小了，使得我們無法探測到在其中運動的粒子，這些粒子被稱為卡魯扎-克萊因暗物質(zhì)。如果能夠確認它們的存在，也將是對弦理論強有力的支持。

除了這些，物理學家還提出了非對稱暗物質(zhì)（Asymmetry dark matter）、強相互作用大質(zhì)量粒子（SIMP）、復合暗物質(zhì)（Composite dark matter）、鏡像世界中的暗物質(zhì)（Mirror World dark matter）等，每種粒子都有相應的理論支持。但暗物質(zhì)究竟是由什么組成的，唯有靠實驗才能告訴我們最后的答案。

【探測方法】

為了揭開暗物質(zhì)的真實面目，世界上有許多的大型實驗都正在進行著，這些實驗包括地下和空間實驗，以及在南極冰川雪地之中。探測暗物質(zhì)的方法分為三類。

探測暗物質(zhì)的三種方法：直接探測、間接探測和對撞機探測。（圖片來源： HAP/A.Chantelauze）

直接探測：尋找暗物質(zhì)粒子與原子核碰撞產(chǎn)生的信號。在宇宙中存在著大量的暗物質(zhì)，每秒鐘都可能有上億個暗物質(zhì)粒子穿過我們的身體，而我們卻毫無察覺?？茖W家希望這些暗物質(zhì)粒子能夠意外的撞上探測器中的原子核，從而發(fā)出可觀測的信號。為了避免受到其它信號的干擾（比如宇宙射線），這些探測器通常都深埋地底下。世界上有許多這樣的探測器，比如LUX和四川錦屏PandaX實驗，它們的目標是尋找WIMP的蹤跡。遺憾的是，今年給出的結(jié)果依然是零結(jié)果，唯一的結(jié)果就是給出了WIMP暗物質(zhì)和核子散射截面的限制。

間接探測：尋找暗物質(zhì)粒子湮滅的信號。理論上，暗物質(zhì)粒子湮滅后，會產(chǎn)生中微子、伽瑪射線或反物質(zhì)。如果科學家能夠在暗物質(zhì)密度高的區(qū)域（比如銀河系中心）探測到過量的伽瑪射線，或者來源不明的高能反物質(zhì)粒子，它們就有可能來源于暗物質(zhì)粒子間的湮滅，從而提供間接的證據(jù)。阿爾法磁譜儀實驗、費米伽瑪射線衛(wèi)星實驗和中國悟空衛(wèi)星都是為了尋找暗物質(zhì)湮滅的信號。

對撞機探測：在對撞機機里進行粒子碰撞實驗，主動創(chuàng)造暗物質(zhì)粒子。高能粒子對撞時將可能有很小的幾率產(chǎn)生一對暗物質(zhì)粒子。由于暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)相互作用很弱，無法被周邊的探測器記錄到。因此，如果在某次對撞中有暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生，我們會發(fā)現(xiàn)有一部分能量不翼而飛。歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）一直在尋找著暗物質(zhì)，但是經(jīng)過升級后的LHC在今年收集更多數(shù)據(jù)后依然沒有看到任何疑似信號。

【挑戰(zhàn)與競爭】

雖然暗物質(zhì)在解釋宇宙中的許多現(xiàn)象都非常成功，但幾十年來，科學家對暗物質(zhì)的探測一無所獲。這使另一部分科學家感到興奮。因為他們認為暗物質(zhì)根本不存在，而是現(xiàn)有的引力理論需要得到修正。

1981年，Moti Milgrom就提出了“修正牛頓動力學（MOND）”。在這個模型中，一顆恒星的徑向加速度跟牛頓和廣義相對論預言的有一點點偏離。這個區(qū)別在太陽系內(nèi)幾乎可以被忽略，而在星系的尺度下，這個區(qū)別則會被擴大。Milgrom發(fā)現(xiàn)，只要將加速度稍微改變一點點，就可以解釋星系的自轉(zhuǎn)曲線。

雖然MOND在解釋星系的自轉(zhuǎn)曲線方面很成功，但它無法解釋其它的效應，比如大尺度的星系團以及對撞星系的物質(zhì)分布。這也許是因為MOND本身就不是一個完整的理論，它只是完整理論中的一部分，解釋了其中一個現(xiàn)象。的確，這樣的想法有很多追隨者，現(xiàn)在有很多人在研究MOND的擴展理論來解釋這些觀測。這其中包括貝肯斯坦提出的張量-向量-標量引力（TeVeS），莫菲特提出的修正引力（MoG）和其它，但沒有一個引力理論脫穎而出。

直到今年，暗物質(zhì)理論似乎遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，MOND則東山再起。不久前Stacy McGaugh帶領的團隊分析了153個不同類型的星系，發(fā)現(xiàn)了一個新的宇宙規(guī)律，稱為“徑向加速度關系”。（詳見《新的宇宙自然規(guī)律，暗物質(zhì)遭遇挑戰(zhàn)》）他們的結(jié)果鞏固了MOND的地位。而不久后，暗物質(zhì)再次遭到攻擊，Margot Brouwer和她的同事通過星系的引力透鏡效應驗證了Verlinde的新的引力理論，而不需要暗物質(zhì)的存在（詳見《新的引力理論通過第一道檢驗》）。但是，要把暗物質(zhì)打入死牢，新的引力理論則需要做的更多。

值得一提的是，薇拉·魯賓也是支持MOND的一員。她說道：“就我個人而言，我認為在大尺度下牛頓的引力定律應該得到修正，這比宇宙中充滿了未知的新粒子要更加有吸引力?！?nbsp;

薇拉·魯賓的觀測結(jié)果是非凡的，是她確鑿的告訴我們宇宙中要么存在大量的暗物質(zhì)，要么是引力理論需要得到修正，無論是哪一個都將產(chǎn)生革命性的影響?？上У氖?，她一直沒能獲得諾貝爾物理學獎。有一個簡單的原因或許是性別歧視，在歷史上只有兩位女性獲得了諾貝爾物理學獎，一個是居里夫人（1903年），一個是瑪麗亞·格佩特-梅耶（1963年）。能夠想到的還有兩位應該獲獎的女性科學家是發(fā)現(xiàn)脈沖星的約瑟琳·貝爾·伯奈爾和驗證了宇稱不守恒的吳健雄。雖然沒有獲得諾貝爾獎，但她們都是無冕之王。

薇拉·魯賓的成就不僅限于學術上，更因為她為女性在科學社區(qū)爭取的權益。薇拉·魯賓是知名女子大學瓦薩爾學院1948年度唯一一位主修天文學的畢業(yè)生。當她想申請普林斯頓大學天文學研究生學位時，被無情地告知天文學學科不收女學生（這項政策到1975年才被廢除）。因此她更加能夠體會女性在科學中需要得到更多的機會，在她的職業(yè)生涯中，她總是鼓勵并幫助年輕女性加入天文學領域并研究宇宙。在1981年的時候，她成為了第二位被美國國家科學院承認的女性天文學家，并獲得一枚國家科學獎章。

2016年12月25日，薇拉·魯賓永遠的離開我們。但是我相信正如她所期待的，她的數(shù)據(jù)將會一直被引用，而我們也將永遠記住她的名字。