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2020-08-12 09:05:00  2320430
【光年之外】丁源森/聊一聊暗物质
用心教育


丁源森是吉隆坡中华独中校友,2017年毕业自美国哈佛大学,现于美国普林斯顿高级研究院(IAS)研究天体物理。图为他在美国波斯顿科学博物馆演讲。(照片来源:作者提供)
丁源森是吉隆坡中华独中校友,2017年毕业自美国哈佛大学,现于美国普林斯顿高级研究院(IAS)研究天体物理。图为他在美国波斯顿科学博物馆演讲。(照片来源:作者提供)





从小到大我都是一个不爱说话的小孩,所以平常交友会特别别扭。一般实况如下:

“我是个会计,你呢?”

“呃,我是个天体物理学家。”

一般说到这里,双方都可以感觉到气温骤降,空气凝固。所幸,作为天体物理学家的我有“破冰”三宝——外星人、黑洞、暗物质。在这千钧一发的时候,我一般都会使出杀手锏,一举扭转了整个局面。

“你有听说过暗物质吗?” 今天我们就先来聊聊暗物质。

表象與本質

骇客任务(The Matrix)是我最喜欢的电影之一。故事的大纲是主角尼欧(Neo)在坏人电脑为了驯服人类而生成的虚拟空间中,察觉到了事物的矛盾,从而看穿了感官的表象,进而认识到了现实的本质。电影里的慢动作打斗画面固然让人津津乐道,但骇客任务之所以能成为经典估计还是要归功于其所投影出的哲思。而与这哲思遥相呼应的是古希腊哲学家柏拉图的洞穴比喻。

柏拉图在洞穴比喻里描绘了一群囚徒被困在一个黑漆漆的山洞里。他们的颈部和身体俱被镣铐在洞穴的一面墙上。而这面墙上的背后上方是洞穴的出口。虽然出口是明亮的,时而也有小动物路过,但是由于囚徒们的视野有限,只能看到小动物的投影,因此大部分囚徒都默认他们看到的影子即是现实,直到有像尼欧一样的囚犯打开了思想的枷锁,认识到了影子只是现实的表象,从而发掘了背后的广阔天地。

而这,也是我们如何发现暗物质的。

暗物质的发现

话说约在1970年,天文望远镜开始能比较好地探测到星系里星星和气体的移动。而这科技的突破,对于天体物理学家来说是梦寐以求的。由于星星是受星系重力的影响,通过研究它们的轨迹,理论上就可以给星系量个“体重”。那时候大家的认知是,越在外围的星星,由于星系的重量开始下降,那么其运行的速度理应会比在内部的星星来得缓慢。这就如我们太阳系里,越往外的行星,比如说天王星等,绕太阳的速度都会比地球缓慢。可是那时候天体物学家却惊然发现,观测数据与理论预期刚好相反,外围的星星依然以飞速在绕行!

星系含大量暗物质

要知道这有点像在玩旋转木马,如果要转得飞快而不发生意外,那么安全绳就必须非常牢固。而在星系里,这安全绳就是星系的重力,只是让大家不得其解的是,这星星高速移动所需要的安全绳,可是要比在星系里可见的物质的总重量还要大上个10倍!也就是说,星系明明看起来是个瘦小子,但称起来却是一个大胖子!而这表象的矛盾,迫使我们重新认清了事物本质。而唯一合理的解释就是星系里除了有可见的物质外,还必须有大量我们看不见的物质。而这就是所谓的暗物质。

虽然说暗物质可以解释星星的运行,但科学精神要求的是如果暗物质是确确实实的存在,那它必须可以经得起推敲。而在目前庞大的天文研究体系中,无论是宇宙大爆炸里各元素的生成,还是星系的具体分布等,暗物质都已被反复证明是不可或缺的枢纽,它的存在是板上钉钉的事,我这里就不一一阐述这些其他实验。

暗物质是个好帮手

不过要说这其中比较有趣的,就必须说到暗物质的“引力透镜”效应。简单来说,爱因斯坦的广义相对论说明,当观察某星系时,如果这视野中刚好穿过一团大量的暗物质,那暗物质的巨大重力会引起时空扭曲,导致这星系在观测时变形且被放大。这有点像是透过一个玻璃瓶的底部去看一个光源,那光源透过玻璃的折射会产生变形。虽然说这种超大团的暗物质不常见,不过这有趣的现象也是经过哈勃望远镜反复核实,侧面再次印证了暗物质。

更重要的是这透镜效应在研究宇宙里一些很古老的星系特别重要。一些非常古老的星系由于离我们太远,一般都是无法直接去研究的。而这时候暗物质偶尔会跑了个龙套,客串了一下放大镜,无心插柳地帮助了天体物理学家,从而让我们能窥探宇宙早期的情况。

暗物質仍是個謎

说了这么多,暗物质到底是什么呢?这里是要让大家遗憾了。虽然现在我们知道它无所不在,方方面面地影响着天体的运作,不过它具体是由什么组成的目前还是个未解之谜。

但也许留个遗憾也不是什么坏事。这警惕着我们的渺小,像极了柏拉图笔下那一群被困在地球的囚徒。但是人类了不起的地方恰恰是,即使被束缚着,还是能透过无限的想像力不断窃取宇宙的秘密。

我们是囚徒,也是尼欧。


本文英文版链接:The Matrix, Plato and dark matter

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作者 : 丁源森(寄自美国)
文章来源 : 星洲日报 2020-08-12

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