在之前《再谈平行宇宙可成真？》（《科普时报》2019年3月15日第3版）中，我介绍了将各种相容形式的超弦理论统一起来的M理论，解读了科学家发现宇宙可以存在一种叫做膜的面，并进而判断出或许宇宙本身就是一张膜，漂浮在一个十一维时空之中，并提及了暗物质的概念。从这篇文章开始，我将简单地介绍一下什么是暗物质，以及与其相关的暗能量。
浅谈宇宙构成中的暗物质（上）
文 | 陈思进
有“科幻界的莎士比亚”之美誉的H.G.威尔斯在科幻小说《隐形人》中描写道，一个人如果漂浮于我们之上的第四维当中，他就会隐形。想象有两张平行的纸张，一个人漂浮于其中上方的纸张上，下面的人就看不到他了。
对此有科学家提出，暗物质或许是一个漂浮于我们之上的、另一个膜宇宙中的普通星系。由此他们推断，可以把我们的宇宙比作一张膜，我们在这张膜上度过我们的一生。不过在我们的正上方，可能还有一个平行宇宙（之前我曾用三篇文章介绍了平行宇宙）徘徊在我们身边，或许只是几厘米的距离，这个平行宇宙的物体不可见，光在宇宙下面传播。所以，我们永远看不到这个平行宇宙里的星系。
但是，引力却可以在宇宙之间通过。因为，引力只不过是空间的弯曲（了解广义相对论的读者都知道），所以，如果两张膜之间的空间稍微弯曲，引力就会在平行宇宙之间穿越。因此，虽然另一个宇宙中的星系是不可见的，但它会有质量，而这可能正是暗物质。它们具有引力，可惜我们看不见，因为它与光或电磁力没有相互作用。就此产生了这样一个理论，认为也许暗物质只不过是另一个维度中的、在我们上方漂浮的普通物质而已。
那么，科学家为何要引入暗物质，他们又是如何引入暗物质的概念呢？让我们回到1932年，从头开始讲起吧。
当时，荷兰天文学家杨·奥尔特在测量恒星到银河系中心（以下简称银心）不同距离的速度时，发现了一个奇怪的现象，就是银河系的旋转曲线不正常（请见附图，虚线A：开普勒定律预测的漩涡星系（SpiralGalaxy）的旋转曲线。实线B：实测的典型漩涡星系的旋转曲线），实际观测结果距离银心越远的天体，旋转速度就越大，而且在近距离有一个急速的增长，之后就趋于平缓了。
这与我们从中学物理课中学到的不一样呀，这是什么原因呢？
以太阳系为例，根据开普勒定律和牛顿运动定律，很容易得到行星绕日的公转速度与半径之间的关系，速度的平方应该是与距离成反比（或者说速度应该与距离的平方成反比），即距离太阳越近的行星的公转速度应该越快，越远的行星公转速度就应该越慢。而事实上，太阳系的八大行星的公转速度的确符合这个规律：海王星最慢，水星最快。
再来看一下银河系的旋转曲线，是不是发现不对了？它不但没有下降反而上升了，在距离银心比较近的这一段，急速上升的过程还可以解释，转速随着距离增加的模型倒也常见，如一个圆盘上距离中心越远的点，速度就是越快的，这叫“刚性旋转”。
既然距离银心比较近的地方出现刚性旋转的特点，我们就可以利用刚性来解释问题了。也就是说，银心是一个大黑洞。因为引力大，天体都往中间去，导致银心附近的密度比较大，在一段距离之内就是近似的一个刚性圆盘，这些点的旋转速度就是随着距离增加的。
可是离银心比较远的地方密度不够大，那就应该符合太阳系的结果了吧——随着距离的增加，速度是应该降下来的。所以在理论上的预言：银河系的旋转曲线应该先急速增加，然后随着距离而下降。
不过问题就出现在后半段：真实情况是并没有降下来。
例如，我们的太阳系距离银河系中心2.6亿光年，绕一圈要2.4亿年左右。太阳系的旋转速度，就是以每秒240公里的速度围绕银心旋转，速度非常快，可牛顿告诉我们不可能这么快的，因为要是这么快，就不能形成稳定的圆轨道，速度一快太阳系就飞出去了，那么整个银河系不就散架了吗？但事实上银河系并没有散啊！这就是问题所在。
对此，科学家提出了两种假设：
要么是牛顿错了，万有引力定律可能只适合太阳系，在银河系的尺度下就不适用了；要是牛顿没有错，银河系想要保持不散架，并具有现在的旋转曲线，而我们的太阳系也不被甩出去，那它的真实质量就应该比我们的预计的要大得多，可能是10倍左右，应该是一团比银河系大得多的物质把银河系包围住了，这一团全部质量分布的区域叫做星系晕。
这两个假设在理论上确实都有可能存在（早期也确实有科学家研究修改牛顿引力理论，现在变少了，因为又有新的证据出现）。所以奥尔特在1932年，最早提出银河系中可能有我们看不见的物质在提供引力。
到了第二年（1933年），瑞士天文学家、加州理工学院教授佛里茨·茨威基把视线伸出银河系，对准了后发座星系团，通过对星系团的运动速度等数据，计算了整个星系团应该有的质量，也就是动力学质量，然后再观测了整体的光度，运用动力学质量比光度，这个比值就叫做“质光比”（即质量比上光度），来和太阳的质光比做比较。
茨威基通过比较发现，后发座星系团的质光比，要远大于太阳的质光比。这说明了后发座星系团的动力学质量要比光度质量大。说白了，我们看到的那些质量，不足以让它发出那么强烈的光，一定还有我们看不见的质量。
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