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科学网宇宙膨胀背后的故事(廿四):深藏不露的胆小鬼和猛男
浏览: 发布日期:2019-12-15

1981年8月19日,美国民歌搭档西蒙(Paul Simon)和加芬克尔(Art Garfunkel)在纽约市的中央公园举办了一场免费的公益演唱会,现场有多达50多万的观众共囊盛举。那晚的压轴表演自然是他们十多年前创作的《寂静之声》(The Sound of Silence):“哈罗,黑暗,我的老朋友。我又来与你交谈啦……”

在那个年代,天文学家已经很不情愿地接受了暗物质,因为有越来越多的证据表明其存在。只是这个素未谋面的老朋友依然隐藏在黑暗之中,无从交谈。

兹威基之所以把他发现的“迷失物质”叫做暗物质,是因为它不发光,所以我们无法看见。在他的时代,借助望远镜用眼睛、相片看天体是天文观测的主要手段。1970年代的天文学家已经有了射电、微波、红外等不同电磁波段的探测途径,但他们仍然无法找到暗物质的踪影:暗物质不仅不发出可见光,而且没有发出任何电磁辐射。

当然,宇宙中有很多自己不发光的星体,比如地球在太阳系中的邻居月球、行星、卫星等。我们能够看到它们,是因为它们反射太阳光。

宇宙中也有完全不反射电磁波的星体,那就是黑洞。因为黑洞自身的引力非常大,即使以光速传播的电磁波也无法逃逸,完全被黑洞吸收而没有反射。2019年4月,天文学家采用大量望远镜协同观测、大数据分析的手段成功地组合了一张黑洞附近的“照片”,是迄今最接近“看到黑洞”的图像。除了邻近高速气体所发出的光,黑洞的所在是一片漆黑。因为黑洞不仅完全吸收了它周围的光,也吸收了来自它身后的星光。我们看不到它的背后。

与鲁宾和福特所测量的那些星系一样,我们的银河系周围也充斥着暗物质。但我们既没有看到近处暗物质的反光,也没有被暗物质遮天蔽日而看不到远方的群星。我们压根没有察觉到暗物质的存在。

所以暗物质这个名字并不贴切。它不是因为吸收了外来的光而显得黑暗。恰恰相反,暗物质对光或电磁波完全透明,既不发射也被吸收。如果我们正对着暗物质,会清清楚楚地看到其背后的星光,仿佛暗物质穿着科幻小说中的隐身衣。事实上,世世代代的天文学家正是这样地凝望着远方的星系,而对星系与地球之间的暗物质视而不见。

当爱丁顿第一次听到量子力学中诡异的“测不准原理”(uncertainty principle)时,曾无可奈何地评论道:“某种未知的东西正在做着我们不知道的事”("Something unknown is doing we don't know what.")。他那时候还不知道暗物质,但这句话用在暗物质上更为贴切。

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苏联的泽尔多维奇几乎立刻就意识到在基本粒子世界里有现成的不参与电磁作用,因而完全“透明”的粒子,那就是“中微子”(neutrino)。

还是在20世纪初,物理学家通过放射性衰变认识原子核内部的成份和结构时,他们对贝塔衰变尤其头疼。贝塔衰变时原子核内跑出来一个本不该有的电子,而且那个过程中似乎能量、动量、角动量都不守恒,违反了物理规律。泡利(Wolfgang Pauli)在1930年别出心裁地提出这个过程中可能还有一个未被觉察的“幽灵”粒子偷偷地带走了剩余的能量、动量和角动量。因为那粒子不带电,他当时把它命名为“中子”(neutron)。

那时,物理学家也在原子核碰撞试验中发现有不明的中性粒子出现。1930年刚到德国留学的中国研究生王淦昌向导师、著名核物理学家迈特纳(Lise Meitner)提议用云室探测该粒子,未被采纳。不久,英国的查德威克(James Chadwick)在1932年用类似的手段发现了中子。

中子的发现是核物理研究的一个里程碑,查德威克因此获得1935年的诺贝尔奖。在那之后,人们知道原子核由带正电的质子(proton)和不带电的中子组成。贝塔衰变是一个中子转化成质子的过程,同时释放出一个电子,外加泡利假想的粒子。但那个幽灵不是中子,因为它的质量比中子小得多。它遂被“降级”称为中微子(意大利语中的“微小的中子”)。只是它的存在与否依然是个谜。

因为中微子不参与电磁作用,它在离开原子核后会无拘无束,不再与世间任何物质发生纠葛,可以轻易地穿过整个地球而不为人所知。也因此几乎无法探测。

王淦昌在1933年底获得博士学位,1934年4月回国任教。1941年时他已经是浙江大学的教授,正随着该校师生在日渐深入的日本侵略军前不停地搬迁、逃难。在那个环境下,他依然写就一篇题为《一个探测中微子的建议》(A Suggestion on the Detection of the Neutrino)的论文,发表于次年美国的《物理评论》。他的提议唤醒了美国物理学家探测中微子的兴趣,立刻就有人按照他的设计做了实验,但没有成功。战乱中的王淦昌在1940年代连续在英国《自然》杂志上发表多篇学术论文,并在1947年再度在《物理评论》上发文,提出探测中微子的几个新方法。