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天文学家维拉·鲁宾——暗物质的领军人物

探索暗物质以及维拉·鲁宾的遗产,她彻底改变了我们对宇宙和不可见物质的理解。

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14岁时,维拉·鲁宾用硬纸板管自制了一个望远镜,开始扫描夜空。她早期的热情在1950年得到了回报,当时她22岁,有一个月大的孩子,她以一个关于宇宙在旋转的挑衅性理论登上《华盛顿邮报》的头条。她后来对星系外围恒星轨道的观测,引发了一个惊人的认识:宇宙中绝大多数物质是不可见的,即“暗物质”。如今73岁的她,仍在华盛顿卡内基学会继续她的宇宙探索。她与特约编辑乔西·格劳西乌斯分享了一些近期的见解。

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您是如何首次意识到宇宙中充满不可见物质的? 在像我们这样的旋涡星系中,数千亿颗恒星围绕中心公转。旋涡星系在外围似乎逐渐变薄,因此外围恒星受到的引力应该在那里较弱。因此,每个人都认为外围的物体轨道运行速度较慢。但这不是我发现的:即使是外围的恒星,其运行速度也非常快。有大量的质量才能使恒星如此快速地运行,但我们看不到它。我们称这种不可见的质量为暗物质。

您知道暗物质是由什么组成的吗? 不。我们绝对不知道。我在1980年说过,十年内我们就会知道暗物质是什么,粒子物理学家会告诉我们。虽然目前我们认为宇宙中大部分物质是暗的,但之所以有这么多,是因为宇宙非常巨大。粒子物理学家必须在实验室里完成宇宙在宏观尺度上所做的事情,因此他们不断建造更强大、更大的探测器。然而,在涉及的距离和能量下,这些粒子的数量会非常少,他们正在寻找比大海捞针更稀有的东西。

我们对引力的看法存在缺陷能否解释您的发现? 除了暗物质之外,还有一个替代解释,那就是假设牛顿定律在像星系那样大的距离上不适用。但我们知道牛顿定律在非常大的范围内是适用的。几乎百分之百的物理学和天文学界都相信宇宙中存在不发光的物质。话虽如此,我们仍然不理解引力是什么,为什么它是如此弱的力。你可以拿起一个回形针,你就克服了地球的引力。这真是令人震惊!

研究暗物质如何帮助我们了解宇宙的大小、形状和最终命运? 如果宇宙中有足够的暗物质,那么宇宙最终可能会停止膨胀并坍缩。我们目前认为,暗物质加上光不足以阻止膨胀。而且,看起来似乎存在一个宇宙常数,一种隐藏的能量,其作用是使膨胀实际上加速。

您目前的工作重点是什么? 仍然是星系,但更奇特的。大约十年前,我在室女座星系团中发现了一个盘状星系,其中一半的恒星顺时针运动,一半的恒星逆时针运动——它们交织在同一个盘中。这是可能的,因为恒星之间的距离很远。但我们也开始研究极环星系,这些星系在极点上方有恒星和气体的环。我对这类天体产生了兴趣,部分原因是很难理解它们是如何形成的。

我们的银河系将会面临什么? 我们和最近的大星系仙女座实际上正在相互靠近。大约二十亿年后,我们将擦肩而过,或者直接相撞。或者可能是一次正面撞击。但引力应该足够大,使我们开始越来越近地围绕彼此运行,并且可能在五亿年后我们会合并。

您认为宇宙其他地方可能存在生命吗? 我认为不可能不存在。我们知道物理定律在整个宇宙中几乎是相同的。这基本上是塞西莉亚·佩恩-加波什金在她1925年的论文中学到的,但当时没人相信。她发现恒星主要是氢,而且它们都大同小异。我们的银河系有两千亿颗恒星,有数十亿个星系,所以行星有充足的机会形成。即使不太可能的事情也会发生,但我无法相信我们的太阳系是独一无二的。

您如何看待史蒂文·温伯格的论点,即“宇宙越看似可理解,就越看似毫无意义”? 我不太明白他所说的“毫无意义”是什么意思。对于我们这些生活在宇宙中的人来说,这是一个非常有趣的经历,我很庆幸拥有它。当然,宇宙不是为我们设计的。但我不知道。今天是春天,华盛顿有很多美丽的花朵,我喜欢散步去上班,看到它们。我不知道这一切是否毫无意义。它可能没有普遍的目的,但能在这里生活是件很美好的事。

作为一名女性科学家,您面临的最大挑战是什么? 育儿。我有四个孩子,我和我的丈夫都全心全意地爱着他们,这始终是个问题。在我职业生涯早期的大部分时间里,我都从事兼职工作,以便在下午3点能回家,那是在他们都上学之后。这几乎让我应接不暇。我做了很多居家工作。当我在家时,孩子们并不真正关心我在做什么,所以我坐在餐桌旁工作。

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您现在会对追求科学事业的女性有什么建议? 我想我会说,如果她们真的想做,就大胆去做,尽量不要让任何事情让她们灰心,尽量不要放弃,但要认识到学术界对女性仍然不够友好。在美国,工业界一直在雇佣女性。但在学术界,女性的数量仍然少得可怜。我认为学术界仍然是一个相当男性化的社会,人们更容易雇佣与自己相似、观点相同、做事方式基本相同的人。

您的四个孩子都有科学博士学位。您认为他们热爱科学的原因是什么? 他们看到父母玩得很开心,所以他们认为那会是一件好事。事实上,我们的第四个孩子是一位非常有才华的音乐家,我们曾试图告诉他,我们很享受家里有一个音乐家,我们不希望他认为他必须成为一名科学家,因为他的所有兄弟姐妹都是。他说,不行,音乐太难了!他可以成为一名科学家并仍然从事音乐,但他不能成为一名音乐家并从事科学。

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如果您可以去另一个星系,您会选择哪个,为什么? 这很容易。我会选择去仙女座,这样我就可以回头看看我们的银河系,看看它是什么样子。我估计我会看到一个美丽的螺旋,有一个明亮的中心隆起,还有尘埃带勾勒出旋臂。实际上,去那里的旅程也会很有趣,因为为了到达那里,你会穿过我们的银河系,所以你会近距离地看到事物。我会让带我去的人靠近中心,但可能不是正中心,因为那样我们可能会被卷入黑洞。但可以近距离看看星系致密的核是什么样的。也许我们会发现其他星系的碎片。如果我们能确定暗物质在哪里,也许我们就能知道它有多远,以及它是否真的能到达仙女座。

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