山雨欲来风满楼（一）

   刘文旺

山雨欲来风满楼唐出自唐代作家许浑《咸阳城东楼》诗“溪云初起日沉阁，山雨欲来风满楼。”当今的物理学界正面临着这样的局面。就像19世纪末20世纪初物理天空中存在着两朵乌云催生了相对论和量子理论一样，现代的物理天空、天体物理学的天空中存在着更多的乌云。将给物理学、天体物理学乃至整个人类的自然科学带来翻天覆地的变革……

     新华社斯德哥尔摩１０月３日电,瑞典皇家科学院３日宣布，将２０１７年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他们为“激光干涉引力波天文台”（ＬＩＧＯ）项目和发现引力波所作的贡献。

10月3日，在瑞典斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松在新闻发布会上讲话。

评选委员会成员奥尔加·伯特纳说，宇宙中曾有两个黑洞发生碰撞，所产生的引力波跨越漫长时空，历时１３亿年抵达地球，在２０１５年９月１４日被位于美国的ＬＩＧＯ探测器探测到，这是人类历史上首次发现引力波。

引力波是一种时空涟漪，如同石头丢进水里产生的波纹。百年前爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在，但他认为引力波难以被探测到，因为相关信号非常微弱。ＬＩＧＯ项目使用巨大的激光干涉仪，在引力波通过地球时探测到比原子核还要小很多的变化。

10月3日，在瑞典斯德哥尔摩，获得2017年诺贝尔物理学奖的三名美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什、基普·索恩（从左至右）。

评选委员会说，ＬＩＧＯ项目集纳了全球多地１０００多名科学家的努力，而这三名获奖者发挥了至关重要的作用。韦斯在约４０年前提出了探测引力波的方法，巴里什和索恩也在科学和管理等方面有巨大贡献。

诺贝尔物理学奖评选委员会成员安德斯·伊勒贝克对新华社记者说，近半个世纪以来，科学界逐渐认可了引力波的存在，但直到２０１５年，人类才第一次真实地探测到引力波，这是此次获奖者所作贡献的价值所在。他说，引力波为人类探索宇宙提供了全新的观察方法，未来可能会有更多新的发现。

在３日的新闻发布会上，汉松拨通了韦斯的电话，韦斯表示，引力波的发现是全球科学家长期不懈努力的结果。他说：“我很兴奋，项目终于取得了成效，这个过程很精彩。”

诺贝尔奖授给了发现引力波的科学家，这引起了轩然大波。在科学的主流和主流媒体看来，这是相对论理论的重大胜利，他们无不欢呼雀跃。他们认为这一发现后，实现了对相对论的全面验证；但在众多的反对相对论的人来说，这人简直就是一场闹剧。这加深了官科与民科之间的误解。

那么，究竟存在哪些问题呢？

看看爱因斯坦本人的观点。

     爱因斯坦是不相信有引力存在的，这是因为在他的广义相对论中，根本就不存在引力。太阳系中的行星不是在太阳的引力作用下环绕太阳运动，而是在太阳的质量造成的弯曲的时空中运动。但是，它的跟随者们由他的引力场方程的解得出，大引力场的天体的波动是会产生引力波的。为此人们开始寻找引力波……

现代的科学界越来越不平静了，上世纪初对两朵乌云的解释诞生了相对论和量子力学。这是近代物理的两大支柱。但是，随着人们观测手短的不断提升，人们不但发现多原有的两朵乌云的解释存在的问题，还发现了众多的乌云。物理学、天体物理学乃至全部的科学知识大有山雨欲来风满楼的趋势。

     最先引起人们强烈质疑相对论的，主要来自于天文观测。

当年爱因斯坦发表了其相对论后，仍处于社会的边缘，并没有被谁会所接受。但是，当爱丁顿的引力弯曲的观测结果出来后，人们才注意到了爱因斯坦的广义相对论，进而熟悉了爱因斯坦的狭义相对论。加上媒体的炒作，爱因斯坦从此进入大众的视野。从而，成为物理学界最成名的风云人物。

随着科学技术的不断进步，人们的观测手段不断提升。暴露出相对论问题的仍是同样的天文观测。

1.暗能量是什么？

20世纪20年代，天文学家爱德文·哈勃发现宇宙并非静止不动，而是不断膨胀的。1998年，哈勃太空望远镜对遥远超新星进行研究，发现宇宙在很久以前的膨胀速度低于现在。

这一具有突破性的发现让科学家陷入困惑之中，他们长久以来一直认为物质的引力逐渐减缓宇宙的膨胀速度，甚至能够导致宇宙收缩。对宇宙加速膨胀进行解释促使科学家提出暗能量理论，正是这种能量导致宇宙加速膨胀。

暗能量

科学家认为暗能量在宇宙中的比重达到近73%，并且难以捉摸，科学家一直未能直接观测到它的存在。科学作家阿德里安·乔表示：暗能量可能永远不会暴露其本来面目。不过，科学家仍比较乐观，认为通过研究能够揭示暗能量的起源。

2.暗物质是什么？

20世纪六七十年代，天文学家假设宇宙的质量可能超过可观测的质量。华盛顿卡内基研究所的天文学家沃拉·鲁宾对星系内不同位置的恒星速度进行了研究。

发现处于星系中央的恒星速度几乎与外侧恒星的速度没有任何差异。这一发现似乎有悖于基本的牛顿物理学定律。按照牛顿的物理学定律，星系外侧的恒星速度应该更慢。

天文学家用一种看不见的质量解释这一现象，也就是暗物质。虽然看不到，暗物质也拥有质量，研究人员根据其对正常物质产生的引力推断暗物质的存在。

据信，暗物质在宇宙中的比重为23%左右，只有4%的宇宙区域由正常物质构成，包括恒星、行星和人类在内。

阿德里安表示：科学家仍不知道暗物质是什么。几年内，物理学家有可能探测到暗物质粒子。不过，即使有望在不久后发现暗物质粒子，天文学家也无法在短期内确定这种神秘物质的特性。

A、暗物质与暗能量的诞生

牛顿发现了万有引力定律后，人们用此理论很好地解释了太阳系中各行星的运动。尤其是海王星的发现。它先是按照牛顿理论计算得出位置，后才被天文观测发现的，因此，被称为是在笔尖上发现的。

历史上从没有过这样的成功先例，是不是很神奇！

1821年，布瓦尔出版了天王星的轨道表，但随后的观测却显示出与表中的位置有越来越大的偏差，这使得布瓦尔很困惑，后来他假设有一个摄动体存在。在1843年约翰·柯西·亚当斯计算出会影响天王星运动的第八颗行星轨道。在1846年，法国工艺学院的天文学教师奥本·勒维耶，也独立完成了海王星位置的推算。在1846年9月23日晚间，海王星被发现了，与勒维耶预测的位置相距不到1°，与亚当斯预测的位置相差10°

海王星

这是牛顿理论的巨大胜利。

科学的进步，使深空探索成为可能。

但是，当人们把更优质的望远镜指向宇宙深空后，却发现了对牛顿理论的偏离。对矮椭球星系的旋转速度的观测发现了星系的发光质量小于引力质量的现象，人们假设存在一种看不到的物质——暗物质。

后来在旋涡星系的观测结果和理论分析均表明旋涡星系外围存在着大质量的暗物质晕。科学家们借助强功率天文望远镜（包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope）对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究，此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。

早在上世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特就发现：为了说明恒星在星系中的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同一时期，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中应该存在着大量的暗物质，用来维持其中星系的运动；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量的看不见物质。

上世纪30年代初，瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，99%以上的不发光质量是看不见的。但这一发现没有引起人们的足够注意。

到20世纪70年代，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测越来越多地发现，发光的天体拥有的质量不能产生足够的引力来维持天体系统的运行。

一句话，在星系、尤其是在星系团中，发光的天体的质量不足以维持这些天体的高速运动，需要有一些不发光的物质存在，这些不发光的物质为这些发光的天体的运动提供引力。

于是，人们假设在宇宙中存在一种不发光的物质——暗物质，他的存在使星系中的天体或星系团中的星系的运动成为可能。

暗物质是假想出来的物质，现有理论认为，它是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，尤其是不参与和电子、光子的相互作用，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的主要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，占宇宙中物质总量的26%。这是一个很大的数字，我们人类见得到的天体——发光的恒星、星系、星系团的质量只占宇宙总物质量的约4.9%。

     完全相反地，宇宙中还存在一种，同样看不到但能影响天体运动的物质。

     我们看如下的观测事实。

天体物理学家一般认为，天体之间的引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。但是，1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”成员的哈佛大学天文学家罗伯特·基尔希纳根据对Ia型类星体———种罕见的恒星爆炸现象的观测发现，这些超新星发出的光度小于应有的数值Ia型类星体。

我们知道，具有稳定的发光强度，因此，它也是用来测量天体距离的标准烛光。结果发现，在距离我们一定远的区域，宇宙膨胀速不但没有在自身重力下变慢，反而在加速膨胀。人们大惑不解。

  暗能量（这个名词是由迈克·透纳引进的）

此外，美国航天局的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明，这类超新星确实在加速远离我们。这些变化的含义的确令科学家忐忑不安，因为这将预示着爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了，影响并决定整个宇宙演化的力量，不是存在于普通发光天体的引力和重力等已知作用力，而是不发光的“暗能量”和“暗物质”。这是一种具有颠覆性的发现。即将引起“划时代”的变化。

（未完待续）