暗物質(zhì)、超新星、中子星、宇宙射線、引力透鏡效應(yīng)，都是天文學(xué)中耳熟能詳?shù)母拍?。不可思議的是，這些概念都與同一位天文學(xué)家有關(guān)，而他卻鮮為人知。他就是弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）。茲威基既是個天才又令人難以忍受，他的特立獨行讓他”聲名狼藉“，他的同事總是忽略他的預(yù)測和觀測。許多人稱他為“二十世紀(jì)天文學(xué)領(lǐng)域最不為世人所知的天才”，直到今天情況仍然如此。

○ 弗里茨·茲威基。

1.

1898年的情人節(jié)，也就是121年前的今天，茲威基出生于保加利亞的瓦爾納。他的父親是一位瑞士商人，母親是捷克人。六歲的時候，父親將茲威基送到瑞士的祖父母那里學(xué)習(xí)經(jīng)商。然而，他的興趣很快轉(zhuǎn)移到了數(shù)學(xué)和物理學(xué)上。1916年，他進(jìn)入蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，也就是愛因斯坦于二十年前學(xué)習(xí)的地方。1922年，他獲得了博士學(xué)位。

1925年，他接受洛克菲勒基金會的獎學(xué)金，進(jìn)入加州理工學(xué)院，在那里，他發(fā)現(xiàn)自己處在宇宙的中心。

對于上世紀(jì)20年代的天文學(xué)家而言，帕薩迪納（Pasadena，加州理工學(xué)院的所在地，也是《生活大爆炸》的故事發(fā)生的地方）是一個最合適進(jìn)行研究的地方。在鄰近的威爾遜山上，埃德溫·哈勃使用著有史以來最強(qiáng)大的天文學(xué)望遠(yuǎn)鏡——口徑2.5米的胡克望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)夜空中遍布著與我們銀河系尺寸和亮度相當(dāng)?shù)男窍?，而且這些星系似乎在競相遠(yuǎn)離我們，表明了宇宙正在膨脹。

1928年，加州理工學(xué)院獲得洛克菲勒基金會600萬美元的捐助，建造一個口徑為胡克望遠(yuǎn)鏡兩倍的望遠(yuǎn)鏡，這確保帕薩迪納在未來幾十年里仍將是宇宙中天文學(xué)的中心。

2.

當(dāng)時，茲威基還不是一名天文學(xué)家，他在加州理工學(xué)院從事晶體理論物理的研究。上世紀(jì)20年代末也是物理學(xué)家的時代。廣義相對論只有十多年的歷史，而量子力學(xué)才剛剛開始發(fā)展。即使像哈勃這樣的天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，宇宙并不是它看起來的樣子，物理學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，宇宙甚至不按照我們曾經(jīng)假定的規(guī)則運行。茲威基以其特有的聰明才智，決定同時研究這兩個領(lǐng)域，他成為了加州理工學(xué)院第一位天體物理學(xué)家（1942年，他成為了天體物理學(xué)教授）。

○ 引力透鏡是愛因斯坦廣義相對論的一個重要預(yù)言。當(dāng)光線經(jīng)過星系或星系團(tuán)時，引力不僅僅會偏折光線，還能表現(xiàn)的像透鏡一樣。| 圖片來源：Herschel ATLAS Gravitational Lenses

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，當(dāng)遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的光線經(jīng)過離我們較近的一個大質(zhì)量物體時，光線會被彎曲。茲威基指出，如果這個大質(zhì)量物體是整個星系的話，那么這個效應(yīng)將更加明顯。盡管包括哈勃在內(nèi)的其他天文學(xué)家都認(rèn)為，宇宙中星系的分布或多或少是均勻的，茲威基卻卻發(fā)現(xiàn)，星系傾向于聚集，形成星系團(tuán)。

○ 后發(fā)星系團(tuán)。1933年，茲威基在研究了后發(fā)星系團(tuán)中的星系后，首次提出了暗物質(zhì)的概念。| 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/GSFC/SDSS

更重要的是，茲威基發(fā)現(xiàn)，后發(fā)星系團(tuán)中的星系的運動速度似乎違反了引力定律，因此他假設(shè)存在著大量看不見的物質(zhì)，他稱之為Dunkle Materie（即暗物質(zhì)）。

1934年，在英國物理學(xué)家查德威克(James Chadwick )發(fā)現(xiàn)中子之后僅僅兩年時間，茲威基與威爾遜山的天文學(xué)家巴德（Walter Baade）提出，當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星耗盡燃料，走到生命盡頭時，它的核心會被自身的巨大引力劇烈壓縮，以至于大部分電子和質(zhì)子會擠壓在一起形成中子，最終形成了一個極端致密的中子星。中子星的直徑約為16到32千米，但質(zhì)量卻是太陽的1.4倍。

○ 蟹狀星云是一個超新星殘骸，星云中心是一顆中子星。| 圖片來源：Hubble

茲威基和巴德還提出，這種恒星核的內(nèi)爆會引發(fā)恒星外層巨大爆發(fā)，茲威基稱之為超新星。在爆發(fā)時，這些物體的亮度大約是太陽的100億倍。茲威基還預(yù)測，超新星爆發(fā)會產(chǎn)生銀河宇宙射線——以光速運行的高能亞原子粒子。

諾貝爾物理學(xué)獎得主索恩（Kip Thorne）后來將茲威基-巴德在1934年發(fā)表的關(guān)于超新星、中子星和宇宙射線的論文稱為“物理學(xué)和天文學(xué)史上最具先見之明的文獻(xiàn)之一”。

3.

1948年，剛過50歲的茲威基在牛津大學(xué)發(fā)表了演講（牛津大學(xué)著名的Halley Lecture），他借此機(jī)會討論了形態(tài)學(xué)的概念，這是一個最初由歌德應(yīng)用于科學(xué)研究的概念。

茲威基將“形態(tài)學(xué)”（或者說一般形態(tài)學(xué)分析）發(fā)展為一種用于構(gòu)建和研究那些包含在多維的、不可量化的問題中的復(fù)合性的方法，以此來處理那些看似不能被約化的復(fù)雜性。形態(tài)學(xué)分析需要通過許多迭代的步驟（或階段），每一步（或每一個階段）都代表分析與綜合的周期。一個用到了形態(tài)學(xué)方法的問題求解程序，會首先對“所有可能重要的參數(shù)”進(jìn)行定義，然后將每一個參數(shù)與其他每個參數(shù)進(jìn)行匹配，生成一個包含“所有潛在解”的矩陣。

他將這種方法應(yīng)用于天體物理學(xué)之外的領(lǐng)域，比如推進(jìn)發(fā)電廠和推進(jìn)劑的發(fā)展，還有太空旅行和太空殖民的法律方面的問題。他創(chuàng)立了形態(tài)學(xué)研究學(xué)會，在20世紀(jì)30年代初到1974年離世的40多年間，積極地推動了“一般形態(tài)學(xué)”的發(fā)展。

后來，茲威基寫道，形態(tài)學(xué)是他尋找良久才終于得到的“點金石”。

他意識到是形態(tài)學(xué)方法的驅(qū)使，讓他提出了中子星、星系引力透鏡效應(yīng)、超新星這些極端的概念；也是形態(tài)學(xué)方法引導(dǎo)他在戰(zhàn)爭期間，找到了能讓飛機(jī)從航空母艦的短跑道上起飛的巧妙解決方案。

4.

如今，茲威基的幾乎所有理論都得到了驗證。上世紀(jì)70年代初，美國天文學(xué)家魯賓（Vera Rubin）以及福特（Kent Ford）等人證實了茲威基關(guān)于暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)在許多獨立的觀測告訴我們，這種神秘的暗物質(zhì)大約是普通物質(zhì)的5倍。

茲威基獨自發(fā)現(xiàn)了129顆超新星——這一記錄至今無人打破。60年代中期，射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了銀河系中第一顆中子星。正如茲威基所預(yù)言的那樣，天體物理學(xué)家如今相信，大多數(shù)銀河宇宙射線來自超新星爆發(fā)。而在茲威基去世的五年之后，科學(xué)家才首次確認(rèn)了引力透鏡效應(yīng)。

在漫長的職業(yè)生涯中，茲威基撰寫了超過300篇的文章，出版了10本書籍，擁有25項專利。他也被稱為現(xiàn)代噴氣發(fā)動機(jī)之父。在二戰(zhàn)之后，茲威基收集并捐贈了15噸的科學(xué)書籍和期刊給飽受戰(zhàn)爭摧殘的歐洲和亞洲的科學(xué)圖書館。

盡管茲威基被外界添上了易怒、傲慢、粗暴、好斗的標(biāo)簽，但毫無疑問，他是一位科學(xué)先知，他的成就至今仍照亮著科學(xué)世界。

參考鏈接：

http://calteches.library./3021/1/zwicky.pdf

http://www./zwicky.html

http:///2009/jan/30-the-father-of-dark-matter-still-gets-no-respect/

https://www./the-remarkable-discoveries-fritz-zwicky/15456