她是證實暗物質存在的第一人，卻沒能逃過諾獎的「潛規則」

2017年11月30日，是中國科學界值得驕傲的日子。

著名期刊《自然》發布：中國人用自己發射的「悟空」號衛星，為全人類首次發現疑似暗物質蹤跡。

如此重磅的消息令眾人沸騰，一旦證實將直接改寫我們的物理課本。

儘管目前仍未確定，但正如中科院院長白春禮所言，這無論如何都將是一項重大發現。

而暗物質無疑是21世紀最重要的科學謎團，至今無法知曉它究竟是什麼。

科學家能確定的是，宇宙中存在大量我們看不見摸不著的物質。

可明明宇宙中有著那麼多璀璨奪目的星星，怎能讓人相信宇宙中大量的東西是根本看不到的？

這對於很多人來說，接受這一想法不亞於登天。

正因如此，當暗物質這一概念首次提出時遭受到了百般冷落。

直到這位女天文學家維拉·魯賓的出現才打破這一僵局。

她是為全人類證實暗物質存在的第一人，真正開創了暗物質研究的領域。

正是她的發現，才徹底顛覆了我們對整個天文學和物理的認識。

然而，她的一生也和當時其他女科學家一樣，科研路充滿曲折。

在歧視與不公中，她完全是靠著不服輸的精神向前沖，才獲得肯定。

遺憾的是，直到這位「暗物質之母」去世時，也沒能成功獲得諾貝爾獎。

維拉·魯賓，一個降生在美國猶太家庭里的女孩。

她從小就痴迷於璀璨的星空，立志當一名天文學家。

14歲那年，她在父親的幫助下成功製作了一架望遠鏡。

小小年紀的她還冒充高中畢業生參加各種天文愛好者的聚會。

然而，在那個年代女性想要搞科研難免遭受冷眼。

她的高中物理老師就老是用冷嘲熱諷的態度勸她遠離科學。

對此，她反倒披荊斬棘考上了凡瑟學院，成為天文系唯一的女生。

在大一的暑假，她認識了羅伯特·魯賓，一位來自康奈爾大學的研究生。

畢業後，他們走進了婚禮的殿堂。

不像大部分女子從此走上相夫教子的道路，她選擇了繼續深造。

她原本打算在普林斯頓大學攻讀研究生，可當時該校不允許女性研究天文學。

普林斯頓的院長直接將其拒之門外，並認為女性學習天文學毫無意義。

不過，在她的堅持與努力下，她先後在康奈爾和喬治城大學獲得了碩士和博士學位。

在這期間，她也找到了自己為之著迷的研究方向——星體運動的規律。

在她的碩士論文里，她就分析了超過一百個星系的運動，博士論文更是研究了宇宙中星系分布的規律。

之後，她憑藉著優異的表現進入了喬治敦大學工作，但時常受到區別對待。

一次，她帶著1個月大的嬰兒在暴風雪中驅車前往另一個洲參加學術會議。

當她在會上有理有據地指出自己對一份論文的質疑時，卻因女性身份受到了無理的羞辱。

又比如，當她很榮幸獲得了與著名的天體物理學家喬治·加莫的會面機會，卻因女性不被允許待在辦公室的荒謬規定使得兩人只好在大廳的走廊上進行會談。

類似的事情不在少數，但她仍專註自己的工作，並於1965年成為歷史上第一位有權使用帕洛瑪天文台的女科學家。

在她之前，女性是不準到帕洛瑪天文台進行工作的。

可當到了天文台之後感受到了不少敵意。最難以忍受的是在那裡她找不到可以上廁所的地方。

為了表示抗議，她只好回到房間將紙剪成裙子狀，並將其粘到了某個男廁的門上。

解決完生活中瑣碎的問題後，魯賓繼續洋溢著對天文學研究的熱情。

藉助著最高級的設備，她和天文學家肯特·福特通過拍攝光譜對遙遠天體的運動進行研究。

在那個年代，天文台拍攝到的光譜能將天體發出的光分隔成不同的顏色，通過多普勒效應就能知道目標天體的運動情況。

所謂的多普勒效應，是指波源和觀測者之間存在相對運動，會導致測量頻率改變。

如果兩者相互接近，頻率增加；反之則頻率減小。

比如當汽車靠近時汽笛聲會越來越高亢，而遠去時聲音會變得十分低沉。

多普勒效應

多普勒效應適用於所有類型的波，當然也包括電磁波，光波。

由此，科學家愛德華·哈勃提出了宇宙正在膨脹的規律：星系和類星體離我們越遠，它們發出的光就會更加呈紅色，也就是逐漸向光譜的低頻部分移動。

簡單來說，假如恆星面朝我們而來，那麼它們發出的光波長會被壓縮，產生所謂的藍移現象；

假如恆星遠離我們而去，那麼它們發出的光波長會被拉伸，產生所謂的紅移現象。

天體中常見的紅移現象

天文學家則能用光譜儀將星光分解為非常細小的譜線，通過細緻地比對星系不同部分譜線中存在的差異，獲知星系不同部分相對於地球的運動速度。

那個時候，魯賓拍攝的是離人類最近的大型星系仙女座的光譜。

仙女座的大銀河

按照牛頓的萬有引力定律，如果你在太空中圍繞一個質量更大的天體旋轉，那麼你離那個天體越遠，你的運動速度就應該越慢。

比如，在太陽系裡，離得近的水星在其軌道上繞太陽運轉的速度就比離得遠的海王星快。

魯賓在計算和繪製星系中星星的運轉速度圖時，預測結果應該是這樣的：

越接近銀心的星星就運轉的越快。反之，當隨著星星遠離銀心，軌道速度就越來越慢。

可是當她夜以繼日地將結果算出來後，卻意外地發現星系邊緣的恆星和離中心更近的星星運轉速度大致相同。

一開始，魯賓以為是計算過程出錯了，可反覆計算還是得到了一樣的結果。

為了找出原因，她查閱了其他資料，才知道自己並非是首個注意到該異常現象的人。

就在30年代，美國天文學家H·W·巴布科克也曾觀察到附近的仙女座星系旋轉得比預測得快。

無獨有偶，瑞士天文學家弗里茨·茲威基也在后髮座星系團的一些星系中發現了這種現象。

首次提出暗物質概念的弗里茨·茲威基

他們對這種現象提出了不同的解釋，巴布科克認為這可能與光的吸收有關。而弗里茨則是提出是因為星系周圍存在的不發光物質的影響。

可由於他們只是在個別星系中發現該現象，並未證實也沒有引起科學家的重視。

為了進一步解釋這一現象，魯賓率先進行了大規模的研究。

細心的魯賓一遍遍地繪製了銀河系的運動曲線，並標記了從中心到邊緣的速度。

最終，她發現這種現象不只存在於個別星系中而是普遍存在於宇宙中。

20世紀70年代 ，她將這一發現撰寫成論文並發表在相關的天文期刊上。

論文中不僅公布了大批數據，還顯示她研究對10個星系的研究結果。

和最初的觀測結果一樣，所有的旋轉曲線都是相對平緩的。

無論是遠離星系中心的恆星，還是距離星系中心更近的恆星旋轉的速度都差不多快。

在這基礎上，她還意識到暗物質的假設和她對星系的研究發現是一致的。

她的計算表明，星系中的暗物質至少含有普通物質的五到十倍。

如果星系裡存在很多我們無法探測到的物質，那麼這就能解釋銀河系旋轉得那麼快了。

可一開始，魯賓的研究成果並未能獲得支持，甚至受到了同行的諸多嘲諷。

幸好，無可辯駁的實驗證據使暗物質逐漸成為了科學家研究的熱門課題。

自80年代以來，就不斷有觀測資料支持暗物質的存在，包括星系團對背景物體的引力透鏡，星系和星團中熱氣體的溫度分布，以及宇宙微波背景中的各向異性模式。

哈勃太空望遠鏡在阿貝爾1689中觀測到的強引力透鏡表明存在暗物質 - 放大圖像以觀察透鏡弧

在之後的幾十年里，魯賓繼續研究這數以百計的星系，收集關於暗物質更多的證據。

而她也憑藉著暗物質的研究，獲得幾乎所有的天文物理學獎，被譽為「暗物質之母」。

1993年她獲得了美國最高成就的科學獎。

3年後，她獲得皇家天文學會金獎，成為自卡羅琳·赫歇爾之後第一位獲得該榮譽的女性。

1993年，羅賓獲得美國國家科學獎章

另外，她功成名就之後，也在四處為科學界的女性爭取權益，鼓勵更多的女性進入天文學以及其他科學領域。

在她的影響下，越來越多的女性進入在天文學領域工作，並得到了應有的尊重。

可以說，她靠著自己的力量在以男性為主導的天文學領域，為女性開闢道路做出了巨大貢獻。

魯賓在2009年NASA女天文學家會議上，左二為魯賓

由於她的開創性發現，她多次被提名諾貝爾物理學獎。

然而，直到她2016去世時，仍未摘得諾獎的桂冠。

對此，不少人認為她又是一位因性別歧視受到諾獎冷落的科學家。

她的去世就像華裔女物理學家吳健雄未得諾貝爾獎一樣，成為諾獎史上的一大遺憾。

也許對魯賓來說，名譽是轉瞬即逝的流星，真正的獎勵是發現新東西。

至於人類現在知之甚少的暗物質，其實對理解宇宙的形成、演化、完善物理學都有著重大意義。

它的存在也正如魯賓所言：「對不起，我知道這麼少。對不起，我們都知道的很少。但這很有趣，不是嗎？」

*參考資料

Vera Rubin. Wikipedia.2018.07.22

"Vera Rubin, 88, Dies; Opened Doors in Astronomy, and for Women". The New York Times. Retrieved December 27, 2016

Dark matter.Wikipedia.2018.07.16

Vera Rubin and Dark Matter, American Museum of Natural History

Vera Rubin Early Career Prize". Division on Dynamical Astronomy. Retrieved July 7, 2017.

Vera Rubin didn』t need a Nobel Prize; the Nobels needed herBy Elizabeth Lopatto@mslopatto Dec 27, 2016.

視頻：薇拉·魯賓是如何發現暗物質存在第一直接證據的 來源：SciShow Space （YouTube）

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作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

內容為【SME】公眾號原創，歡迎轉載

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