暗物质这个概念是怎么来的呢?这要从一个方程讲起 。
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我们可以把它称作宇宙的定律 , 它的名字叫「爱因斯坦场方程」 , 它有另外一个名字叫「广义相对论场方程」 , 它还有一个低配版本 , 就是「牛顿万有引力定律」 , 想必知道的人可能会更多一点 。
这个方程描述的是宇宙中的物质彼此之间的引力关系 , 但是在天文观测中 , 我们很多时候发现这个方程好像有不成立的情况 。
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暗物质就是从这样的一些反常的现象中发现的 。
人类如何发现暗物质可能存在?
在爱因斯坦还没有出生的时候 , 人们用牛顿定律来理解天体运动 。
当时 , 大家只知道太阳系有七大行星 , 从里到外依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星和天王星 。它们都在引力作用下绕着太阳运行 。
通过牛顿万有引力定律 , 人们可以准确地计算出每一颗行星的运行轨迹 , 可以预期这颗行星今天应该出现在什么位置 , 明天应该出现在什么位置 。不光是太阳对它们的影响 , 甚至行星之间的相互作用和运行规律我们都能很好地掌握 , 计算结果与观测结果都能对得上 。
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唯独最外围的天王星是个例外 , 它的运动始终体现出那么一些不规律性 , 人们预期它应该在某个位置 , 事实上它总是会偏一点 , 让人非常困惑 。
1843年到1846年间 , 两位年轻的天文学家 , 英国的亚当斯(John Couch Adams)和法国的勒维耶( JeanLe ) , 他们分别通过万有引力定律推算出在天王星之外还有一颗不为人知的行星 , 正是它影响了天王星的运动 。
1846年 , 德国的天文学家伽勒(Galle)用望远镜在亚当斯和勒维耶预测的天区发现了这颗行星 , 也就是后来为人所知的海王星 。
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这个事情给我们一个什么启发呢?就是说 , 如果你发现已有的定律什么地方不太对劲 , 那么这很可能意味着 , 在某些地方存在某些不为人知的东西 。
这个现象 , 持续困扰着学界 。
到了1930年 , 瑞士的天文学家兹威基(Fritz )在观察星系团(由相互之间有一定力学联系的若干个星系集聚在一起组成的星系集团)的时候发现了一个奇怪的现象 , 有些星系的运动速度远远超过了它所在的星系团本身的逃逸速度 。
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逃逸速度是一个什么概念?大家知道 , 当我们发射的火箭和宇宙飞船达到第一宇宙速度的时候 , 它们就能绕着地球做匀速圆周运动 , 如果这个速度更快 , 达到所谓的第二宇宙速度 , 那么飞船或者火箭就能脱离地球引力 , 飞离地球 , 这就是逃逸速度 。
之所以说兹威基发现的这个现象非常不可思议 , 是因为按照原有的认知 , 这个星系团早就应该分崩离析了 。于是他提出了一个大胆的猜测 , 认为这个星系团里面很可能存在一些我们还看不到的物质 , 它们提供了额外的引力把这些星系牵制住 , 使得它们不会跑掉 。
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