你了解“暗物质”吗？什么是“暗物质”？你又如何理解“暗物质”？欢迎留言告诉我们，我们将在精彩留言里选取三位小伙伴送出 《空间简史》 ~

在新月升起的晴朗夜空，我们用肉眼可观测到的星星有几千颗。具体的数字取决于观测者的视觉敏锐度、夜空的晴朗程度、视野的广度以及观测者的位置。

在1609年第一架天文望远镜被制成之前，这几千颗闪烁的星星就构成了人类所知的整个宇宙。17世纪初，人们依然靠肉眼眺望地平线，就像仰望天空时一样。早在此很久之前，放大镜的出现已经使得人们可以更好地观察近处物体的细节，研究其细微之处的特征。在中世纪时，基于透镜相关原理制成的眼镜被引入欧洲，用于矫正人们的视力缺陷。弗拉卡斯特罗于1538年在帕多瓦绘制出了一张望远镜图纸，通过调整2个透镜间的距离，就可以实现对远处物体的放大观察。1608年，荷兰人汉斯·李普希依据他的思路制造出了第一台望远镜，但这台望远镜仅限于在白天用以环顾四周。此后不久，正是伽利略改进了望远镜，并将其伸向遥远的夜空，他的这一行动彻底改变了天文学，对人类的影响更不止于此。

肉眼可见的许多星星，即使距离我们已经相对较近，但还是比我们祖先想象的要远得多。在我们的书中，“距离”一词已经反复出现多次了，它虽然是一个空间概念，却也体现着人类对自我的探寻。在古代，我们的先人（且不说年代更为久远的原始人）站在山顶，眺望对面的高地，理所当然地认为它和我们的距离并不遥远——一只小小的麻雀振动翅膀，轻而易举地就可以飞过去。但我们作为两条腿的陆地生物，想要到对面去，就要先下山，或许途中还要穿过激流，然后再攀上另一座山……这可能要耗费整整一天。人们常常凭借经验，用时间来衡量距离。但是近2000年来，也不乏智者通过线性的、可量化的概念（也就是数学的方法）来衡量距离。

一直以来，不论是测量地面上的距离，还是测量天体与地球的距离，我们都习惯使用三角测量法。1572年，阿利斯塔克的 《论日月的大小和距离》 （De Magnitudinibus et Distantiis Solis et Lunae）在教皇国城市佩萨罗印刷出版，使得当时的整个天文学界为之振奋，这标志着这部古老的作品得到了教会的承认，并被奉为经典。1619年，开普勒在行星运动第三定律中阐述的观点并未与阿利斯塔克的理论相悖；1672年，乔凡尼·卡西尼和他的助手让·里歇尔奔赴法属圭亚那的赤道地区，测量火星与地球间的距离，他们的思路同样与阿利斯塔克一致。

到了19世纪，天文学测量被拓宽到更为广阔的范围，天文单位已经不能满足当时的需要了。赫伯特·霍尔·特纳首先提出了秒差距的概念，用于描述研究中涉及的更大的宇宙距离。1秒差距大约等于21万个天文单位（准确来说是206265个天文单位），现在我们常常使用秒差距的倍数来表示太阳系以外广袤空间中天体的遥远距离。

天鹅座的主星天津四，是肉眼可见的恒星中离我们最远的之一，它距离我们约500秒差距（1600光年），是日地距离的1亿多倍。也就是说，实际上肉眼可见的宇宙也是很广阔的。再比如，仙女座大星云虽然距离我们有254万光年之遥，但在合适的条件下依然可以用肉眼观测到。几个世纪以来，我们只知道仙女座大星云的存在，却不知道它离我们如此遥远，更不知道它其实和银河系一样都属于星系。

现在我们知道，天上的星星其实远不止我们能看到的几千颗，一些亮度很低的恒星用肉眼是感知不到的，正是伽利略首先用天文望远镜观测到了它们。伽利略还发现，银河系之所以呈现出云雾状态，正是数不清的遥远而暗淡的星辰造成的。从那以来的近4个世纪，为了观测到更加遥远、亮度更低的天体，天文学家们从未停止建造更强大望远镜的步伐。几百年里，我们不无惊奇地发现，无论我们观察得有多远，视界之外总有新事物在等待着我们发现。随着我们欣赏宇宙的能力的增强，我们对宇宙丰富性的认知也在不断提升。

在研究恒星分布以及它们之间距离的过程中，我们也渐渐对银河系的大小和形状有了初步的了解。今天我们知道，银河系呈现为旋涡状，它聚集了上千亿颗恒星，如同一个直径10万光年、厚度1000光年的大圆盘。18世纪末，赫歇尔统计了许多位于不同方位的恒星，旨在研究银河系的形状以及太阳系在银河系中的位置。在当时的人们看来，银河系其实就构成了全部宇宙，赫歇尔也不例外。尽管他下意识地将太阳系置于“宇宙”（银河系）的中心，却还是正确地得出了银河系的形状——三维圆盘状，用他自己的话说，是“磨盘状”（与此同时，他还对银河系的大小做出了估计，不过估计值要比实际值小很多）。赫歇尔以及来自法国的天文学家查尔斯·梅西耶还对望远镜视野中可见的星云进行了系统编目。其实，早在1750年，托马斯·赖特就提出：这些星云可能是某种“外部创造物”或者“宇宙岛”（这一观点后来被著名哲学家康德进一步阐述）。

当然，赖特的观点仅仅是一种假设，它代表了18世纪在英格兰盛行的经验主义的思维方式。1755年，一家德国报社发表了一篇文章，对赖特的理论进行了粗略的总结，年轻的康德就受到了这篇文章的启发，彼时他深受德意志特色的形而上学思想影响。尽管当时可供阅读的科学读物很少，但这位年轻的哲学家仍从中汲取养分，写成了一部单看名字就气势恢宏的作品——《关于诸天体的一般发展史和一般理论，或根据牛顿原理试论宇宙的结构和机械的起源》（简称《宇宙发展史概论》，Universal Natural History and Theory of the Heavens）。这部作品在意识形态上的前提与牛顿的观点相同，即宇宙的建制有着完美、规则、稳定的特点。他认为，“宇宙岛”将聚集形成星体大陆，其运动遵循宇宙万物的普遍规律。然而，康德内心的疑惑也越来越让他百思不得其解：“宇宙这种系统而规则的建制究竟有没有尽头呢？天地万物的边界又在哪儿？”紧接着，他提出了更多有价值的疑问。许多人认为，康德在最初面对可感知的庞大空间时感到了慌乱和迷惑，而后将这些感受升华到空间范畴，它们既无关天文学研究，又不受实证结果的影响。

19世纪，随着越来越多先进的望远镜被制造出来，人们对星云的研究也不断深入，可以更好地验证它们究竟是未知的恒星集合，还是一些弥漫在宇宙中的物质。但不管怎么说，当时绝大多数人都认为星云是银河系的一部分。1845年，威廉·帕森斯（也就是罗斯伯爵三世）制造出了当时世界上最大的天文望远镜——利维坦，它的口径约为1.8米，长度约为16米，能够很好地观测星云的形态，甚至能分辨出部分星云的旋涡状结构。利用利维坦，人们还发现了一些星云上的亮点、带状深色区域以及明亮的细丝。随着天文观测的外部条件越来越成熟，人们渐渐意识到宇宙比当时任何人所想象的都要宽广得多。在加利福尼亚州利克天文台任职的天文学家希伯·柯蒂斯是最先发觉这一点的人之一。20世纪初，他在仙女座大星云附近观测到了大量新星，它们的亮度大约只有银河系中新星亮度的万分之一。通过对观测数据的分析，柯蒂斯得出结论，仙女座大星云距离我们大约有50万光年之遥（真实距离是该数值的5倍），从空间尺度上看，该星云显然不属于银河系的范围。在数据的鼓舞下，他再次提出了“宇宙岛”的假设，认为所谓的星云其实是与银河系相似的星系，它们处在银河系之外，距离我们十分遥远。天文学家哈罗·沙普利对这一假设提出了异议。1920年，这两位科学家在华盛顿举办了一场辩论赛，两人就星云的本质和宇宙的大小展开了激烈的争论。

然而，关于这一问题的争论并没有持续很久。1925年，埃德温·哈勃将口径2.5米的胡克望远镜（当时世界上最大的反射望远镜）伸向仙女座大星云以及一些其他星云，进而发现了许多造父变星。通过测量造父变星的光变周期，他计算得出了造父变星的绝对星等（代表其固有的亮度），然后将其与视星等（我们观测到的亮度）做比较，最终得出了仙女座大星云等星云与我们之间的距离。结果证明柯蒂斯的观点是正确的，这场争论也就此画上了一个圆满的句号。就这样，人类对宇宙大小的认识又一次得到了修正。宇宙的规模扩大了上亿倍，银河系也不再是孤立存在的了，就像在此100多年前赖特和康德所设想的一样，宇宙中有数不清的其他星系与银河系并存。撇开20世纪下半叶兴起的多重宇宙论不谈，单单是证明银河系外还有无数遥远而明亮的其他星系，就已经构成了人类宇宙认知史上的一大飞跃。

哈勃以及赫马森对星云（现在更名为星系）的系统化研究为后来的宇宙膨胀模型和大爆炸理论奠定了基础。首先提出宇宙膨胀模型的是比利时天文学家、教会神甫勒梅特，他的观点综合了爱因斯 坦的广义相对论和维斯托·斯里弗最初的光谱学研究成果。斯里弗观察了一些 旋涡星云（星系）的光谱，发现其中原子跃迁产生的特征谱线与实验室中的相比，产生了向红端的位移。就像声波的多普勒效应所揭示的一样，当光谱中显示出的颜色偏红（该现象也因此得名星系红移）时，表明光源正在离我们远去。从此我们认识到，人类生存的空间不仅广袤，而且是动态的，其性质也在发生变化。广义相对论指出，时间和空间这两个在当时毫不相干的概念其实有着密不可分的联系。而在量子力学中，普朗克长度告诉我们，距离这一概念也是受到限制的。

从18世纪末到20世纪末，人类对宇宙的认识发生了翻天覆地的变化。一开始，人们认为宇宙静止不变，直径只有10万光年。只用了大约200年，人们便意识到宇宙诞生于大约140亿年前，直径约为930亿光年（从诞生以来一直在膨胀），由数千亿个星系组成，且在未来规模还将不断扩大。

宇宙的膨胀是一个整体而复杂的过程，近30年来，人们倾向于相信这样的说法：极早期宇宙在一段极短的时间里呈指数级快速膨胀，后来进入平稳的膨胀时期，然后进一步加速膨胀。与此同时，宇宙“不可见”的一面也逐渐显现了出来。我们虽然已经意识到了宇宙的广大，但我们能观测到的依然只是冰山一角。起初，我们只是发现了一些“不可见”的物质，虽然能感受到它们的引力作用，却无法直接观察到它们的存在。后来，我们又察觉到还有“不可见”的能量加速了宇宙的膨胀。

瑞士天文学家弗里茨·兹威基在20世纪30年代研究了一些星系团，他意识到在星系团内部，星系的运动速度其实会破坏星系团结构的稳定性，但观测数据却显示，星系团中的数百个甚至数千个星系都稳定地聚集在一起。兹威基把注意力放在了后发星系团上，他用位力定理推导得出，要想各星系之间的引力足够让它们凝聚成团，所需要的动力学质量大约是光度学质量的400倍（通过质量和光度之间的关系测算）。基于以上研究，兹威基提出了“不可见物质”的观点，并将这些“不可见物质”命名为“暗物质”。他的观点在发表之初并未得到人们的认同，但随着其他研究成果的发布，几十年后，暗物质这一概念终于在天文学界站稳了脚跟。

美国天文学家薇拉·鲁宾关于星系旋转曲线的研究，在确认暗物质存在的过程中起到了决定性的作用。在测量了星系中从中心到外围的恒星的运动速度后，鲁宾发现，恒星绕星系中心旋转的实际速度与基于星系质量分布预测得到的速度存在显著差异。根据牛顿力学理论，恒星绕星系中心旋转的速度会随着离星系中心距离的增加而减小，但观测结果表明，在相当大的范围内，星系外围恒星的速度几乎是恒定不变的。仅凭借望远镜观测到的可见物质，根本不足以束缚住这些恒星，除非星系被巨大的“暗物质晕”包围。

随着时间的推移，暗物质存在的其他证据也逐渐积累起来，比如遥远星系发出的光所发生的偏折现象（引力透镜效应）和宇宙微波背景辐射的各向异性。如今，关于暗物质存在证据的研究主要集中在粒子物理学领域，依靠在地面和太空的实验来进行，但是在过去，人们曾考虑通过更精确的天文学假设来解释暗物质的存在。每一次，当之前被忽略或者研究价值被低估的事物被发现时，必定会引起天文学界的强烈关注，科学家们也会采取一系列的方式计算，来验证它们与“缺失的质量”是否存在某种关系。我们已经证明，不管是星际空间内的中性氢、超大质量黑洞，还是褐矮星和系外行星，它们的质量都无法弥补暗物质的空缺。此外，虽然关于中微子还有诸多谜团，但研究越来越证明它们并非暗物质，中微子在宇宙中所占的比重太小了。

在探索暗物质源头的过程中，我们也不单单将注意力放在寻找某种看不见的物质上，而是尝试将暗物质问题转化为重子物质或者超对称粒子问题。晕族大质量致密天体是重子物质的代表，而超对称粒子则是现代物理学中一个新兴的研究领域。我们还尝试通过修正牛顿动力学来解释不可见物质的问题，但结果却不尽如人意。近些年来，在暗物质问题上，科学家们做出的努力主要集中在具有一定质量但与普通物质作用极其微弱的中性亚原子粒子的研究上。当一些天文学家还在不断搜索暗物质存在的证据并越来越精确地测量它们的数量和分布时，另外一批学者选择在更易屏蔽干扰的地下实验室或太空中捕捉暗物质粒子。科学文献中不时会出现这样的“暗示”——某种像极了暗物质的东西行经了我们的探测器，但是，至今我们也没有获得具有统计学意义的确定性结果。

现代人对空间的探索又一次揭示了那个老生常谈的规律——宇宙总是比我们想象的更加广袤，不仅仅是在规模上，更是在组成上。现在比较公认的研究表明，宇宙中普通物质（其组成在元素周期表中可以找到的物质，也就是可见的、能观测到的物质）的数量大约只有暗物质（那些不可见的、观测不到的物质，我们甚至无法确定它们是否存在）的五分之一。关于暗物质，我们既不知道它们的冷热，也不知道它们的轻重。我们认为它们笼罩着星系、充斥在星系团的内部，却从来没有在地球或者太阳系的任何一个角落找到过它们存在的痕迹。而正因如此，人们的想象力也就派上了用场，它们可以由具有奇异性质和怪异名称的粒子组成，比如轴子、惰性中微子、引力子、弱相互作用大质量粒子、磁单极子等。显然，目前暗物质问题依然令人感到尴尬和困惑。

书名 ： 空间简史

‍♂️ 作者： ［意］托马斯·马卡卡罗& ［意］克劳迪奥·M. 达达里

内容简介

自人类第一次用步伐丈量大地，探索空间的脚步就从未停止。空间是什么，空间里有什么，空间的边界在哪里？从古至今，人类对空间的理解经历了从简单到复杂的演变，文明与科技也在此过程中发展向前。

史前时期，人类对天空和地面空间形成了最初的认知。在早期文明中，先人用神话确立“我们在哪里”的最初答案。时光轮转，古人逐渐勾勒出复杂美丽的地图，并且能够利用星座找到方向。在中世纪，计算和导航工具更加完善，新大陆的发现彻底改变了我们对地球空间的认知，随之而来的探索迅速填满了古老羊皮纸地图上的空白。在当今时代，望远镜拉近了我们与天空的距离，新的天体被不断发现。星云变成了星系，星系汇成茫茫星河，融入无涯宇宙，但仍不断有新的理论重塑着宇宙的轮廓。

过往的理论或被证实、或被推翻，而广袤的空间却始终散发着无穷的魅力，吸引“后来的我们”去发现，去留下新的足迹。

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