世界欠她一个诺贝尔奖

时间:2017-03-23 08:18:42
来源:大科技·科学之谜
分类:科普杂谈
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摘要:鲁宾对暗物质的研究是在20世纪70年代,几乎整个天体物理都能感觉她的影响,但40多年来,诺贝尔委员们似乎一直对她“视而不见”。

 暗物质的发现

20世纪70年代末的一天,美国卡耐基科学研究所的薇拉·鲁宾和肯特·福特正在反复检查宇宙中仙女座星系的观测结果。
但是很奇怪,这个巨大的螺旋状星系似乎出错了:星系边缘区上的物质和中心区的物质的旋转速度竟然一样快!按理说,位于中心区的物质的速度应该是最快的,就像我们的太阳系那样。显然,仙女座星系违反了这个规则。这是什么原因导致的呢?

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直到两年后,鲁宾才明白那“奇怪现象”背后的原因——原来是暗物质在搞鬼,而之前得到的观测结果是宇宙暗物质存在的直接证据。科学家现在知道,84%的宇宙物质由暗物质组成。它们是看不见的粒子构成的,分布在整个宇宙中。它们对星系内恒星的移动,星系之间的互相拉扯,以及所有物质聚集都有着很大的影响。
暗物质与宇宙的关系,类似空气和人类的关系一样:它们是物质的,且无处不在,人们却看不见它们。暗物质的存在已经彻底改变了我们对宇宙的看法,而根据艾尔弗雷德·诺贝尔所言,诺贝尔物理学奖是奖励给“物理学领域中最重要的发现”。暗物质的发现非常符合这样的描述,很多人认为这种奇怪物质的发现者值得收获一枚诺贝尔奖。
另一方面,在过去的十几年里,科学家们证明了中微子有质量,发明了高亮度更节能环保的蓝色发光二极管,还发现了宇宙中的暗能量。所有这些重大实验和思想值得被表彰,研究者们也纷纷拿到诺贝尔奖。
相比之下,鲁宾对暗物质的研究是在20世纪70年代,几乎整个天体物理都能感觉她的影响,但40多年来,诺贝尔委员们似乎一直对她“视而不见”。
尽管如此,很多人依然支持鲁宾,为她打抱不平。当然,还有许许多多的人对她的人生经历充满了好奇。

兴趣的开始

1928年,薇拉·鲁宾在美国费城出生。在她10岁的时候,鲁宾的家搬到美国华盛顿特区。当时她房间的床是紧挨着窗户的,晚上她常会躺在床上观察星星。她还发现如果在深夜张开眼睛,所有的星星们都绕着一个点进行了旋转。她觉得非常不可思议,被深深吸引住了。这是她第一次发现自己对天文学产生了兴趣。
她开始观看流星雨,并在纸片上画出那些在天空中一闪而过,显现美丽光芒的流星。她还在爸爸的帮助下架起了一台望远镜,时常观察星星,还将星星作为课堂论文的主题。鲁宾利用生活和学习上的每个机会,深入了解神秘的宇宙。
父母非常支持鲁宾的研究,但是她在学校却经常“受挫”,比如当她告诉物理老师自己已经收到了美国纽约州瓦萨学院的录取通知书时,老师却建议鲁宾学习其他专业,而非天文学。但是她没有听取物理老师的意见。
从瓦萨学院毕业后,她试着申请美国普林斯顿大学天文系,却因女性身份而受到拒绝(该系一直到1975年才对女性开放)。不过她还申请了美国康乃尔大学天文学研究生学院,并被录取。入学后,鲁宾与天文学家玛莎·斯塔尔·卡彭特一起做研究。卡彭特当时非常痴迷于星系和星系内部恒星的运动情况,卡彭特的热情影响了鲁宾,也使鲁宾明确了自己的研究方向——星系动力学。

旋转的宇宙

不久后,她遇到了自己未来的丈夫——康奈尔大学物理化学专业的研究生罗伯特。有一天,罗伯特让她阅读一篇天文学文章。文章中提到一个问题:星系在宇宙中的移动是否与太阳系内行星的旋转方式一样。
鲁宾想到,星系是怎么移动的?是在太空中成群穿梭,还是随机移动的?还是确实就像地球围绕着太阳旋转那样,绕着某一个点来旋转?这个想法一直萦绕在心头,于是她以此为硕士论文题目,展开研究,观测星系的移动情况。
1951年,鲁宾完成了硕士论文。她认为星系们可能是绕着宇宙中未知的中心旋转。她还发现了一个平面,拥有比其他区域更为密集的星系。那时她还不知道这是为什么,但在论文中她将这个平面称为“超银河系平面”。
导师威廉·肖建议鲁宾在美国天文学会会议上公布该研究结果,因为这有可能是非常重要的天文学成果。由于鲁宾刚刚初次怀孕,加上她并不是美国天文学学会的成员。于是她请求导师威廉·肖帮助自己公布研究结果,导师答应了鲁宾的请求。
会议上,这场报告的主题叫做“旋转的宇宙”。在参会人员中,除了自己的导师,鲁宾一个人都不认识,她恍然生出自己是“异类”这样的念头,认为其他人都是专业的天文学家,非常资深的天文研究者,而她只是个研究生。这就使得她小心翼翼,担心自己的成果得不到他们的认可,担心人们觉得自己是个“天文学骗子”。
结果不出意料,鲁宾的论文引发了相当激烈的讨论。但是因为她一个人都不认识,所以她当时并不知那些讨论者都有谁。唯一记得的是,几乎所有的评论都是批评性的。她的硕士论文没有发表,而是被尘封起来了。

回归天文学

她的第一个孩子出生之后的六个月,鲁宾仍旧呆在家里忙这忙那,陪着孩子。忙碌的家庭生活占据了她的生命和脑海,减轻了会议带来的伤害。
可是每当不经意间看到天体物理学杂志时,她都会忍不住掉眼泪。鲁宾意识到自己对天文学的热爱程度,就像爱自己的孩子一般,她必须回归到天文学的研究中。
于是鲁宾申请了美国乔治城大学攻读博士学位。在博士阶段,她发现星系确实是聚集在一起的,就像是被磁铁吸引的大量铁屑,并不是随机散布在宇宙中的,支持了硕士论文中出现的“超银河系平面”。这项研究结果仍旧没有得到人们的重视,直到20年后才成为天文学的一部分。
1965年,鲁宾在乔治城大学担任教授,同时也作为美国卡耐基科学研究所的工作人员。在研究所里,她遇到了一位重要的合作伙伴——天文学家肯特·福特。
当时,福特研发了一台非常先进的光谱仪,这台光谱仪比任何其他仪器都灵敏,使天文学家不仅能研究整个星系,还可以研究星系内的某一小片区域。有了这台设备,鲁宾和福特决定观测类星体。类星体一类遥远的星系,其中心有超大质量、处于活动期的黑洞。
但这项工作竞争非常激烈,因为类星体在1963年才刚刚被发现,它的真实身份仍旧是个谜,也是每一位天文学工作者都渴望解开的谜团。可是鲁宾逐渐感觉到她不适合、也不喜欢这样激烈的竞争。

奇怪的速度

于是她果断放弃了对类星体的研究,转向另一研究内容——星系旋转方式。鲁宾觉得,有人曾推断星系旋转会是什么样子,但没有人真的做过一份详细的研究来说明具体的情况。
现在,凭借福特那台顶级的光谱仪,他们可以将推断变成观测。经过反复思考后,鲁宾和福特将目光定位在仙女座星系。
研究的过程是一趟艰难的路程。因为除了光谱仪,观测星系还需要用到一流的望远镜,可是鲁宾和福特没有属于自己的望远镜,他们只有借用天文观测站的望远镜,而且只能在天文观测站对外开放的时间使用。他们经常要带着光谱仪辗转几地进行观测,该项目耗时好几年。
当他们将望远镜指向仙女座星系时,希望看到它能像太阳系一样旋转:星系中心附近的物质运行的速度比边缘区域的物质快。因为离中心越近,引力越大,运动速度应该越快才能产生足够的离心力,抵消掉引力的影响。就像离太阳越近的行星,公转速度就越大。
可是结果显示了奇怪的现象,就像故事刚开始时所讲的那样:离星系中心不同距离处的物质,围绕中心旋转的速度都差不多。数据出来后,鲁宾都要花了几个小时在一间小屋里分析,可结果还是一样。鲁宾和福特又观测了其他星系,发现也是同样的情况。
数据并没有出错,可是结果和“理论”一直相矛盾,他们不明白问题出现在哪里。

来自黑暗的答案

直到有一天,当鲁宾面对这手中的资料,突然灵光乍现,想通了一切。她意识到,宇宙中可能存在着我们看不到的物质——暗物质,为弥散于星系各处的气体提供着引力,因此,引力不会只集中在星系中心上,星系内任何地方的物质的速度将是相似的。
其实早在1932年,荷兰天文学家扬·奥尔特就率先提出暗物质这个概念。紧接着在1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹威基也认同宇宙中存在暗物质。但他们的想法并没有得到广泛关注,有人甚至觉得他们的说法是一种怪谈,因为没有任何坚实的证据来支持这些理论,也没有人预测过暗物质的存在对星系运动有什么意义。
而鲁宾和福特发现,这些“看不见的物质”不仅影响着星系的移动,还影响宇宙的样子。20世纪80年代,“暗物质”这个名称正式在天文学中安家落户。宇宙中,它几乎无处不在。人们认为在宇宙的婴儿期,首先是暗物质成群,然后它们会将普通物质拉到一起,才演变成星系和超星系团。
到目前为止,科学家还没有捕捉到暗物质粒子,可是无论暗物质到底是什么,它都是在宇宙进化过程中不可缺少的成分。现在我们很难想象没有它的宇宙会变得怎样?
作为暗物质的发现者,鲁宾却从未获得过诺贝尔奖,不过她在瓦萨尔学院女性科学名人堂上曾谦虚地表示:“名誉是短暂的,我的数据比我的名字更重要。如果天文学界多年后仍在引用我的数据,才是对我最大的恭维。”
鲁宾在职业生涯中,总共观察了超过200个星系。而在2016年圣诞节的夜晚,鲁宾因年迈而辞世,享年88岁。

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