最不為人所知的天文學奇才

暗物質、超新星

○ 弗裡茨·茲威基。

1.

1898年的情人節，也就是121年前的今天，茲威基出生於保加利亞的瓦爾納。他的父親是一位瑞士商人，母親是捷克人。六歲的時候，父親將茲威基送到瑞士的祖父母那裡學習經商。然而，他的興趣很快轉移到了數學和物理學上。1916年，他進入蘇黎世聯邦理工學院，也就是愛因斯坦於二十年前學習的地方。1922年，他獲得了博士學位。

1925年，他接受洛克菲勒基金會的獎學金，進入加州理工學院，在那裡，他發現自己處在宇宙的中心。

對於上世紀20年代的天文學家而言，帕薩迪納（Pasadena，加州理工學院的所在地，也是《生活大爆炸》的故事發生的地方）是一個最合適進行研究的地方。在鄰近的威爾遜山上，埃德溫·哈勃使用著有史以來最強大的天文學望遠鏡——口徑2.5米的胡克望遠鏡，發現夜空中遍佈著與我們銀河系尺寸和亮度相當的星系，而且這些星系似乎在競相遠離我們，表明了宇宙正在膨脹。

1928年，加州理工學院獲得洛克菲勒基金會600萬美元的捐助，建造一個口徑為胡克望遠鏡兩倍的望遠鏡，這確保帕薩迪納在未來幾十年裡仍將是宇宙中天文學的中心。

2.

當時，茲威基還不是一名天文學家，他在加州理工學院從事晶體理論物理的研究。上世紀20年代末也是物理學家的時代。廣義相對論只有十多年的歷史，而量子力學才剛剛開始發展。即使像哈勃這樣的天文學家也發現，宇宙並不是它看起來的樣子，物理學家也發現，宇宙甚至不按照我們曾經假定的規則運行。茲威基以其特有的聰明才智，決定同時研究這兩個領域，他成為了加州理工學院第一位天體物理學家（1942年，他成為了天體物理學教授）。

○ 引力透鏡是愛因斯坦廣義相對論的一個重要預言。當光線經過星系或星系團時，引力不僅僅會偏折光線，還能表現的像透鏡一樣。| 圖片來源：Herschel ATLAS Gravitational Lenses

根據愛因斯坦的廣義相對論，當遙遠的恆星發出的光線經過離我們較近的一個大質量物體時，光線會被彎曲。茲威基指出，如果這個大質量物體是整個星系的話，那麼這個效應將更加明顯。儘管包括哈勃在內的其他天文學家都認為，宇宙中星系的分佈或多或少是均勻的，茲威基卻卻發現，星系傾向於聚集，形成星系團。

○ 後發星系團。1933年，茲威基在研究了後發星系團中的星系後，首次提出了暗物質的概念。| 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/GSFC/SDSS

更重要的是，茲威基發現，後發星系團中的星系的運動速度似乎違反了引力定律，因此他假設存在著大量看不見的物質，他稱之為Dunkle Materie（即暗物質）。

1934年，在英國物理學家查德威克(James Chadwick )發現中子之後僅僅兩年時間，茲威基與威爾遜山的天文學家巴德（Walter Baade）提出，當一顆大質量恆星耗盡燃料，走到生命盡頭時，它的核心會被自身的巨大引力劇烈壓縮，以至於大部分電子和質子會擠壓在一起形成中子，最終形成了一個極端緻密的中子星。中子星的直徑約為16到32千米，但質量卻是太陽的1.4倍。

○ 蟹狀星雲是一個超新星殘骸，星雲中心是一顆中子星。| 圖片來源：Hubble

茲威基和巴德還提出，這種恆星核的內爆會引發恆星外層巨大爆發，茲威基稱之為超新星。在爆發時，這些物體的亮度大約是太陽的100億倍。茲威基還預測，超新星爆發會產生銀河宇宙射線——以光速運行的高能亞原子粒子。

諾貝爾物理學獎得主索恩（Kip Thorne）後來將茲威基-巴德在1934年發表的關於超新星、中子星和宇宙射線的論文稱為“物理學和天文學史上最具先見之明的文獻之一”。

3.

1948年，剛過50歲的茲威基在牛津大學發表了演講（牛津大學著名的Halley Lecture），他藉此機會討論了形態學的概念，這是一個最初由歌德應用於科學研究的概念。

茲威基將“形態學”（或者說一般形態學分析）發展為一種用於構建和研究那些包含在多維的、不可量化的問題中的複合性的方法，以此來處理那些看似不能被約化的複雜性。形態學分析需要通過許多迭代的步驟（或階段），每一步（或每一個階段）都代表分析與綜合的週期。一個用到了形態學方法的問題求解程序，會首先對“所有可能重要的參數”進行定義，然後將每一個參數與其他每個參數進行匹配，生成一個包含“所有潛在解”的矩陣。

他將這種方法應用於天體物理學之外的領域，比如推進發電廠和推進劑的發展，還有太空旅行和太空殖民的法律方面的問題。他創立了形態學研究學會，在20世紀30年代初到1974年離世的40多年間，積極地推動了“一般形態學”的發展。

後來，茲威基寫道，形態學是他尋找良久才終於得到的“點金石”。

他意識到是形態學方法的驅使，讓他提出了中子星、星系引力透鏡效應、超新星這些極端的概念；也是形態學方法引導他在戰爭期間，找到了能讓飛機從航空母艦的短跑道上起飛的巧妙解決方案。

4.

如今，茲威基的幾乎所有理論都得到了驗證。上世紀70年代初，美國天文學家魯賓（Vera Rubin）以及福特（Kent Ford）等人證實了茲威基關於暗物質的發現。現在許多獨立的觀測告訴我們，這種神秘的暗物質大約是普通物質的5倍。

茲威基獨自發現了129顆超新星——這一記錄至今無人打破。60年代中期，射電天文學家發現了銀河系中第一顆中子星。正如茲威基所預言的那樣，天體物理學家如今相信，大多數銀河宇宙射線來自超新星爆發。而在茲威基去世的五年之後，科學家才首次確認了引力透鏡效應。

在漫長的職業生涯中，茲威基撰寫了超過300篇的文章，出版了10本書籍，擁有25項專利。他也被稱為現代噴氣發動機之父。在二戰之後，茲威基收集並捐贈了15噸的科學書籍和期刊給飽受戰爭摧殘的歐洲和亞洲的科學圖書館。

儘管茲威基被外界添上了易怒、傲慢、粗暴、好鬥的標籤，但毫無疑問，他是一位科學先知，他的成就至今仍照亮著科學世界。

參考鏈接：

http://calteches.library.caltech.edu/3021/1/zwicky.pdf

http://www.swemorph.com/zwicky.html

http://discovermagazine.com/2009/jan/30-the-father-of-dark-matter-still-gets-no-respect/

https://www.decodedscience.org/the-remarkable-discoveries-fritz-zwicky/15456

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