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1974年,美国天文学家维拉·鲁宾观测星系转速时,发现围绕星系外测旋转的恒星的运动速度远远超过万有引力定律的理论预期。
理论上,离中心最近的恒星应该比离中心较远的恒星旋转得更快。
例如:根据开普勒和牛顿定律,海王星绕太阳公转的速度要比水星更慢,然而鲁宾发现这些恒星都以相同的速度运动,位于星系外侧的恒星的运动速度并没有遵循所谓的“旋转曲线”
,而是速度更快。
这样一来,便有两种可能:一是我们的万有引力定律出现了错误,我们必须对已经取得重大进展的物理学进行修正;二是宇宙中一定隐藏了某种不发光、我们无法看到的物质,它能够施加引力,改变恒星预期的旋转速度。
也就是说,存在这样一种可能性,即这些星系不仅是我们看到的球状物或者发光的螺旋,而是被巨大的质量(甚至比星系总质量大9倍)包围,形成了一个我们无法看到的巨大光环。
这种光环被称为“暗物质”
,可以用来解释恒星的异常行为。
随后,其他现象,如引力透镜、宇宙微波背景中的痕迹或某些星系的运动,都证实了暗物质的存在。
暗物质的发现彻底改写了天文学的历史。
凡人亦英雄:1948年,维拉·鲁宾完成了艺术专业的本科学业(这也是当时女性常常被推荐的专业),准备申请进入普林斯顿大学的天文学专业攻读研究生,却因自己的女性身份而遭到拒绝,而该系一直到1975年才开放女性入学。
于是,她便申请了康奈尔大学的物理学专业,并因此结识了20世纪最重要的物理学家,如理查德·费曼和汉斯·贝思。
鲁宾的博士学位就读于乔治城大学,师从乔治·伽莫夫。
在她的博士论文中,她指出星系在宇宙中的位置并不是随机的,而是分布于大的星系团之中。
11年后,她离开了乔治城大学,成为华盛顿卡内基科学研究所的终身研究员,并在这里遇到了天文学家肯特·福特,向他解释了哈勃定律以及星系膨胀的偏差。
正是研究仙女座星系外围恒星的运动时,她有了自己最伟大的发现—暗物质。
在接下来的几年中,除了继续探究暗物质之外,她还花了很大精力,希望让女性也有机会从事科学事业。
不幸的是,她没能获得诺贝尔物理学奖。
但是,至少第5726号小行星以鲁宾的名字命名—虽然这远不足以表彰她所做出的贡献。
鲁宾的工作鼓舞并将继续激励着全世界成千上万的女性,维拉,我代表她们所有人,谢谢你。
尽管这种奇怪现象已经被命名为“暗物质”
,但它的性质仍然是科学界最大的谜团之一。
暗物质到底是什么?它又是由什么组成的?我们已经知道,暗物质不发光,不与电磁辐射相互作用,不以相对论速度运动,并且在时间的推移过程中相对稳定……即便如此,当我们着眼于“标准模型”
,即目前对构成宇宙的粒子(夸克、电子等)的分类理论,我们会发现已知的宇宙中没有任何东西符合我们所寻求的特征。
也有人猜想,暗物质可能是由那些我们已知的却不发光的物质组成的,如不发光的气体或者棕矮星,我们称之为“重子暗物质”
(重子是一种由三个夸克组成的粒子)。
科学逸事:当我还在读小学时,就已经学过原子由电子、质子和中子构成。
这是道尔顿的理论研究结果之一—我猜大家一定听说过道尔顿,因为我们经常谈论到“色盲”
这个词。
但从80年代起,一切都变了,就好像在基本粒子的聚会上,不断有新的、外来的客人加入进来,来阐释道尔顿所不能解释的物理现象。
比如说,粒子可以根据自身质量而划分为三代,就像族谱一样,每一代都与上一代相同,但规模更大。
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