暗物质、超新星、中子星、宇宙射线、引力透镜效应，都是天文学中耳熟能详的概念。不可思议的是，这些概念都与同一位天文学家有关，而他却鲜为人知。他就是弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）。兹威基既是个天才又令人难以忍受，他的特立独行让他”声名狼藉“，他的同事总是忽略他的预测和观测。许多人称他为“二十世纪天文学领域最不为世人所知的天才”，直到今天情况仍然如此。
○ 弗里茨·兹威基。
1.
1898年的情人节，也就是121年前的今天，兹威基出生于保加利亚的瓦尔纳。他的父亲是一位瑞士商人，母亲是捷克人。六岁的时候，父亲将兹威基送到瑞士的祖父母那里学习经商。然而，他的兴趣很快转移到了数学和物理学上。1916年，他进入苏黎世联邦理工学院，也就是爱因斯坦于二十年前学习的地方。1922年，他获得了博士学位。
1925年，他接受洛克菲勒基金会的奖学金，进入加州理工学院，在那里，他发现自己处在宇宙的中心。
对于上世纪20年代的天文学家而言，帕萨迪纳（Pasadena，加州理工学院的所在地，也是《生活大爆炸》的故事发生的地方）是一个最合适进行研究的地方。在邻近的威尔逊山上，埃德温·哈勃使用着有史以来最强大的天文学望远镜——口径2.5米的胡克望远镜，发现夜空中遍布着与我们银河系尺寸和亮度相当的星系，而且这些星系似乎在竞相远离我们，表明了宇宙正在膨胀。
1928年，加州理工学院获得洛克菲勒基金会600万美元的捐助，建造一个口径为胡克望远镜两倍的望远镜，这确保帕萨迪纳在未来几十年里仍将是宇宙中天文学的中心。
2.
当时，兹威基还不是一名天文学家，他在加州理工学院从事晶体理论物理的研究。上世纪20年代末也是物理学家的时代。广义相对论只有十多年的历史，而量子力学才刚刚开始发展。即使像哈勃这样的天文学家也发现，宇宙并不是它看起来的样子，物理学家也发现，宇宙甚至不按照我们曾经假定的规则运行。兹威基以其特有的聪明才智，决定同时研究这两个领域，他成为了加州理工学院第一位天体物理学家（1942年，他成为了天体物理学教授）。
○ 引力透镜是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。当光线经过星系或星系团时，引力不仅仅会偏折光线，还能表现的像透镜一样。| 图片来源：Herschel ATLAS Gravitational Lenses
根据爱因斯坦的广义相对论，当遥远的恒星发出的光线经过离我们较近的一个大质量物体时，光线会被弯曲。兹威基指出，如果这个大质量物体是整个星系的话，那么这个效应将更加明显。尽管包括哈勃在内的其他天文学家都认为，宇宙中星系的分布或多或少是均匀的，兹威基却却发现，星系倾向于聚集，形成星系团。
○ 后发星系团。1933年，兹威基在研究了后发星系团中的星系后，首次提出了暗物质的概念。| 图片来源：NASA/JPL-Caltech/GSFC/SDSS
更重要的是，兹威基发现，后发星系团中的星系的运动速度似乎违反了引力定律，因此他假设存在着大量看不见的物质，他称之为Dunkle Materie（即暗物质）。
1934年，在英国物理学家查德威克(James Chadwick )发现中子之后仅仅两年时间，兹威基与威尔逊山的天文学家巴德（Walter Baade）提出，当一颗大质量恒星耗尽燃料，走到生命尽头时，它的核心会被自身的巨大引力剧烈压缩，以至于大部分电子和质子会挤压在一起形成中子，最终形成了一个极端致密的中子星。中子星的直径约为16到32千米，但质量却是太阳的1.4倍。
○ 蟹状星云是一个超新星残骸，星云中心是一颗中子星。| 图片来源：Hubble
兹威基和巴德还提出，这种恒星核的内爆会引发恒星外层巨大爆发，兹威基称之为超新星。在爆发时，这些物体的亮度大约是太阳的100亿倍。兹威基还预测，超新星爆发会产生银河宇宙射线——以光速运行的高能亚原子粒子。
诺贝尔物理学奖得主索恩（Kip Thorne）后来将兹威基-巴德在1934年发表的关于超新星、中子星和宇宙射线的论文称为“物理学和天文学史上最具先见之明的文献之一”。
3.
1948年，刚过50岁的兹威基在牛津大学发表了演讲（牛津大学著名的Halley Lecture），他借此机会讨论了形态学的概念，这是一个最初由歌德应用于科学研究的概念。
兹威基将“形态学”（或者说一般形态学分析）发展为一种用于构建和研究那些包含在多维的、不可量化的问题中的复合性的方法，以此来处理那些看似不能被约化的复杂性。形态学分析需要通过许多迭代的步骤（或阶段），每一步（或每一个阶段）都代表分析与综合的周期。一个用到了形态学方法的问题求解程序，会首先对“所有可能重要的参数”进行定义，然后将每一个参数与其他每个参数进行匹配，生成一个包含“所有潜在解”的矩阵。
他将这种方法应用于天体物理学之外的领域，比如推进发电厂和推进剂的发展，还有太空旅行和太空殖民的法律方面的问题。他创立了形态学研究学会，在20世纪30年代初到1974年离世的40多年间，积极地推动了“一般形态学”的发展。
后来，兹威基写道，形态学是他寻找良久才终于得到的“点金石”。
他意识到是形态学方法的驱使，让他提出了中子星、星系引力透镜效应、超新星这些极端的概念；也是形态学方法引导他在战争期间，找到了能让飞机从航空母舰的短跑道上起飞的巧妙解决方案。
4.
如今，兹威基的几乎所有理论都得到了验证。上世纪70年代初，美国天文学家鲁宾（Vera Rubin）以及福特（Kent Ford）等人证实了兹威基关于暗物质的发现。现在许多独立的观测告诉我们，这种神秘的暗物质大约是普通物质的5倍。
兹威基独自发现了129颗超新星——这一记录至今无人打破。60年代中期，射电天文学家发现了银河系中第一颗中子星。正如兹威基所预言的那样，天体物理学家如今相信，大多数银河宇宙射线来自超新星爆发。而在兹威基去世的五年之后，科学家才首次确认了引力透镜效应。
在漫长的职业生涯中，兹威基撰写了超过300篇的文章，出版了10本书籍，拥有25项专利。他也被称为现代喷气发动机之父。在二战之后，兹威基收集并捐赠了15吨的科学书籍和期刊给饱受战争摧残的欧洲和亚洲的科学图书馆。
尽管兹威基被外界添上了易怒、傲慢、粗暴、好斗的标签，但毫无疑问，他是一位科学先知，他的成就至今仍照亮着科学世界。
参考链接：
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
发表于 2019-2-16 03:32
收藏
分享