1995年12月18日，這看上去是平凡的一天，一個(gè)來自美國(guó)的天文研究小組租用了哈勃望遠(yuǎn)鏡，他們要選擇一個(gè)頗受爭(zhēng)議的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。這是一塊“黑區(qū)”，并且還是全天中最黑的“黑區(qū)”。這次觀測(cè)選擇的是全天中最黑最黑的一個(gè)點(diǎn)，大小僅僅只有144弧秒，這相當(dāng)于你站在100米開外看一個(gè)網(wǎng)球的大小，只占整個(gè)天區(qū)的2400萬分之一。

在一片質(zhì)疑聲中，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡把鏡頭聚焦到了那片位于大熊座的黑區(qū)上，從12月18日一直觀測(cè)到了12月28日，誰(shuí)也沒想到，這些光子組成的圖像將讓全世界的天文學(xué)家接受到一次革命式的洗禮。

342張圖像最后合成的照片被稱之為“哈勃深空?qǐng)觥?，這恐怕是人類天文學(xué)史上到目前為止最為重要的一張?zhí)煳恼掌?，沒有之一。

圖 哈勃深空?qǐng)?/span>

在這張照片中，每一個(gè)光點(diǎn)，哪怕是最暗弱的一個(gè)光點(diǎn)，都不是一顆星星，而是一個(gè)星系，一個(gè)像銀河系這樣包含了上千億顆恒星的星系！在這么一個(gè)全天2400萬分之一的區(qū)域中，哈勃就拍攝到了超過3000個(gè)星系。這真是令人“細(xì)思恐極”。

宇宙中星系的分布密度是均勻的，這早已被證實(shí)過了，那么根據(jù)哈勃深空?qǐng)雠臄z到的星系數(shù)量就可以推測(cè)出，宇宙中可觀測(cè)到的星系總數(shù)將超過1000億個(gè)。如果我們的銀河系在宇宙中是一個(gè)中等大小的星系的話，那么宇宙中平均每個(gè)星系就包含了1000億到2000億顆恒星，則宇宙中恒星的總數(shù)量相當(dāng)于地球上所有的沙子的數(shù)量，包括所有沙漠和海灘上的沙子。雖然令人難以置信，但這確實(shí)是觀測(cè)事實(shí)。

海量的星系照片讓天文學(xué)家對(duì)銀河系的演化研究找到了第一手資料。為什么我會(huì)說其他星系的照片是研究銀河系的第一手資料？因?yàn)橛钪鎸W(xué)原理。我們通過觀察眾多別的星系的不同形態(tài)，就能了解自身銀河系的過去與未來。最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，我們的銀河系正在與仙女座大星系互相接近，幾十億年以后，會(huì)與仙女座大星系“相撞”，那么相撞之后會(huì)發(fā)生什么？除了可以用計(jì)算機(jī)模擬以外，我們還可以通過研究其他宇宙中星系相撞后的形態(tài)，與我們的模擬結(jié)果互相驗(yàn)證，這樣得出的結(jié)論是，最終兩個(gè)星系會(huì)結(jié)合成一個(gè)棒旋星系。

圖 哈勃拍攝到的一個(gè)棒旋星系NGC 1300 圖片來源：NASA官網(wǎng)

人類對(duì)宇宙的研究因哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的上天而提升了一個(gè)層次。但是接下去的兩個(gè)新發(fā)現(xiàn)，給自信滿滿的天文學(xué)家們迎頭澆了一大盆涼水，原以為基本上了解了宇宙的人類突然發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)宇宙的了解其實(shí)只是宇宙的一小部分，神秘的宇宙只不過是向好奇的人類稍稍敞開了大幕的一小角而已。

暗物質(zhì)

寫《三體》的劉慈欣寫過一篇科幻短篇小說叫《朝聞道》，在這篇小說中，他寫了一個(gè)普通人幾乎很難理解的故事。有一天，外星文明降臨地球，當(dāng)然，文明程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過人類文明，外星文明給地球人一個(gè)機(jī)會(huì)，每個(gè)人都可以去問他們一個(gè)科學(xué)上的問題，并且保證地球人一定能得到正確的答案，只有一個(gè)條件：得到答案以后馬上去死！我說到這里，估計(jì)你馬上就明白了小說標(biāo)題的含義，子曰：朝聞道，夕死可矣！小說里面還不是夕死，是立即就死。

我設(shè)想，如果劉慈欣小說中的場(chǎng)景真的出現(xiàn)在了地球上，我可以保證會(huì)有很大一批天文學(xué)家、物理學(xué)家會(huì)為了一個(gè)問題而放棄生命，這個(gè)問題就是：暗物質(zhì)到底是什么？

暗物質(zhì)這事還得從1932年開始說起。荷蘭有一位著名的天文學(xué)家叫做奧爾特（Oort，1900年 – 1992年），他在極其有限的觀測(cè)條件下，隱約發(fā)現(xiàn)一個(gè)事情不怎么對(duì)頭，就是銀河系的自轉(zhuǎn)似乎不太符合牛頓力學(xué)。奧爾特隱約發(fā)現(xiàn)，銀河系外側(cè)的恒星運(yùn)動(dòng)速度似乎與靠近銀心的恒星運(yùn)動(dòng)速度沒有什么大的差別。這事就很奇怪了，難道對(duì)于整個(gè)銀河系而言，牛頓的萬有引力不適用了？

又過了一年，1933年，在美國(guó)加州理工學(xué)院有一位叫做茲威基（Zwicky，1898年 – 1974年）的年輕天文學(xué)家，正在著迷地研究后發(fā)座星系團(tuán)，他居然遇到了與奧爾特幾乎相同的困惑。茲威基試圖測(cè)算出這個(gè)星系團(tuán)中星系的平均質(zhì)量，有兩種方法可以測(cè)算，一種稱之為“動(dòng)力學(xué)質(zhì)量”，還有一種方法稱之為“光度學(xué)質(zhì)量”。按理說，用這兩種方法測(cè)算出來的星系平均質(zhì)量應(yīng)該是差不多在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，但茲威基計(jì)算的結(jié)果是“動(dòng)力學(xué)質(zhì)量”居然比“光度學(xué)質(zhì)量”整整大了160多倍。雖然我們今天知道，茲威基低估了后發(fā)座星系團(tuán)離我們的距離，從而低估了星系的質(zhì)量，但是即便是按照今天的數(shù)據(jù)，兩種質(zhì)量的比值依然大得離譜。

茲威基看到自己的計(jì)算結(jié)果后，呆呆地出神，他也冒出了和奧爾特同樣的一個(gè)念頭：難道牛頓定理在后發(fā)座星系團(tuán)失效了？但他很快就想到，也許還有一個(gè)更合理的解釋：會(huì)不會(huì)是在后發(fā)座星系團(tuán)中存在著大量不發(fā)光的物質(zhì)呢？這個(gè)解釋聽上去合理多了，而且后發(fā)座星系團(tuán)距離地球足足有3.5億光年之遙，有一些物質(zhì)不發(fā)光，或者發(fā)光很微弱，在地球上根本觀測(cè)不到，這也是很好理解的。于是，茲威基就在論文中猜測(cè)，在后發(fā)座星系團(tuán)中包含大量暗物質(zhì)，也就是不發(fā)光或者相對(duì)很暗的物質(zhì)，而且這種物質(zhì)占到了該星系團(tuán)中物質(zhì)總量的99%。這是暗物質(zhì)這個(gè)詞第一次出現(xiàn)在學(xué)術(shù)論文中。但茲威基并沒有覺得這個(gè)猜測(cè)有多么了不起，或者根本就沒有意識(shí)到，他無意中觸碰到了一個(gè)宇宙的驚世之謎。只過了一年，茲威基的注意力就完全被宇宙中的另外一種迷人天體“超新星”吸引過去了，這個(gè)詞supernova也是他和別人一起發(fā)明的。暗物質(zhì)是宇宙中最暗的東西，而超新星則是宇宙中最亮的東西，在直覺上當(dāng)然是研究亮的比暗的更有趣，于是茲威基就把暗物質(zhì)丟在了一邊，轉(zhuǎn)頭去研究最亮的東西去了。這一擱置，就是50多年沒人理會(huì)，茲威基也在1974年去世，他沒有等到自己提出的暗物質(zhì)驚動(dòng)全世界的那一天。后面又發(fā)生了什么呢？