物理學 1933

河外星雲的紅移

弗里茨·茲威基

星系團裡的星系跑得太快，單靠恆星根本拉不住——大部分質量都看不見。

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In depth · the introduction

一個星系團轉得飛快，眼看就要四散開來——我們看得見的星系，其重力遠不足以把它兜住，可它偏偏沒散。

核心想法

1933 年，弗里茨·茲威基用兩種全然不同的方法，去稱量一群星系。他先把所有星系的光加起來，估出牠們含有多少物質。接著他觀察這些星系在星系團裡亂竄得有多快，再用重力反推：要攔住牠們、不讓牠們甩進太空，需要多少質量。

兩個答案本該相符。可重力給出的那個，卻大了數百倍。某種龐大而隱形的東西，正在補上那份失蹤的拉力。茲威基稱它為 dunkle Materie——暗物質。

它是如何誕生的

茲威基是加州理工一位才華橫溢、卻脾氣火爆的瑞士裔美國物理學家，既以點子出名，也以爭吵出名。研究后髮座星系團——一座龐大的星系之城——時，他注意到星系的速度散得極開，彼此相差約一千公里/秒。

一群鬆散的東西，跑得那麼快，本該早就像揭了蓋的一罐蚊子那樣蒸發掉。要讓它留存，所需的重力，遠超可見恆星所能提供。茲威基的結論領先時代數十年，天文學界大多聳聳肩。直到 1970 年代，薇拉·魯賓測出旋渦星系邊緣的恆星繞得快得離譜，同一份隱形質量才再也無法被無視。

它為何重要

茲威基無意間撞見了一個事實：我們看得見的、發光的恆星與星系，只是宇宙構成中的少數。大部分物質，是某種既不發光、也不擋光的未知之物——我們只能憑它的重力察覺它。從星系如何形成，到整個宇宙的形狀，全都仰賴於它；而九十年過去，我們仍不知道它究竟是什麼。這是整個科學中最大的未解之謎之一。

一個可以想像的畫面

想像你看著一些枯葉，在看似靜止的空氣裡打著旋。葉子飛得那麼快，本該被吹散——可牠們一圈圈地兜著，彷彿被困在一陣看不見的旋風裡。你看不見風，卻能從葉子的動法推出它。茲威基讀那些星系，正是同一個道理：牠們的速度，洩露了一座龐大的隱形質量——那陣你看不見的風。

它的位置

茲威基的星系團，和薇拉·魯賓旋轉的星系，是望向同一份暗物質的兩扇窗。它與本館中其他幾大宇宙謎題並立——哈伯膨脹的宇宙，其星系正是暗物質幫著聚攏起來的；還有 1998 年發現、驅動膨脹越來越快的暗能量。尋常物質、暗物質、暗能量，共同構成宇宙的全部清單——而我們讀懂的，只是最薄的那一片。

The original document

Original source text

Fritz Zwicky · Helvetica Physica Acta 6 (1933): 110–127 · "Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln"

The puzzle in the data

Zwicky examines the radial velocities of the nebulae in the Coma cluster, inferred from their redshifts. They scatter enormously about the cluster's mean: the line-of-sight velocities differ from one another by of order a thousand kilometres per second.

Weighing the cluster

If the cluster is a bound, settled system, the virial theorem fixes its mass: the average kinetic energy of the galaxies must balance their mutual gravitational binding. Putting the observed velocity spread and the cluster's size into that balance yields a total mass — and the number comes out far larger than the mass one would estimate by simply counting the light of all the galaxies.

To produce the observed spread of ~1000 km/s, Zwicky finds, the average density of the Coma system would have to be at least some four hundred times greater than the density inferred from its luminous matter.

The conclusion

Falls sich dies bewahrheiten sollte, würde sich also das überraschende Resultat ergeben, dass dunkle Materie in sehr viel grösserer Dichte vorhanden ist als leuchtende Materie.

(In translation: if this should be confirmed, we would arrive at the surprising result that dark matter is present in far greater density than luminous matter.) — the first time a large mass discrepancy in a galaxy cluster is named as "dunkle Materie."

Norman Bridge Laboratory of Physics, California Institute of Technology · 1933