宇宙「黑暗面」的 「揭發者」

如果他站在你面前，你一定會以為他是牧師、神父之類的人物，矮小，敦實，一副和藹可親的容貌，可一旦他開口，那就完了，好形象完全被破壞掉了。他沖你說的第一句話也許是：「你是地獄裡的哪頭鬼？」——在課堂上對自己不認識的學生，他通常就是這麼問人家的名字的。他甚至對自己的同事也惡語相加，而你要知道，他的這些同事大多是在物理學上足可名垂青史的人物。

這個人太狂妄了！而他也確有狂妄的資本：他是中子星、超新星、引力透鏡等宇宙新天體和新現象的提出者；他是罕見的天才，生前雖然沒有得到應有的評價，死後卻享盡哀榮，如今他被尊為天文學上的「兩暗（暗物質和暗能量）之父」。懷才不遇嗎？不，他一輩子都活得很開心。

怎麼？沒聽說過？這個人就是瑞士物理學家弗里茲?茨維基。

在美國轉行搞天文

弗里茲?茨維基（1898-1974）出生於保加利亞，父親是瑞士人。早年家人希望他去學經商，但茨維基卻對物理學獨有情種。

大學時，茨維基就讀的是蘇黎世聯邦工業大學。這個名字好熟悉！對了，這就是愛因斯坦曾經就讀的那所大學。在茨維基上學的那個年代，蘇黎世聯邦工業大學可謂精英薈萃：愛因斯坦因發表狹義相對論在物理學界嶄露頭角，被母校聘為教授；當時國際數學界的泰斗外爾（見我刊2009年01期《20世紀最後的通才》一文）在此任教；此外，還有跟愛因斯坦一同研究廣義相對論的格羅斯曼。所以，茨維基後來自稱是愛因斯坦的學生並非自我吹噓。

1925年，茨維基被美國物理學家密立根邀請到美國加州理工學院做訪問學者，沒想到他此生的大部分時間就客居此地了。這期間，他偏離原來的專業，日漸被天文學所吸引。

在加州理工的校園裡，當天氣好的時候，人們直接可以看到遠處的威爾遜山。山上有座天文台。在1917~1947年間，該天文台擁有世界上最大的天文望遠鏡。

提起這座天文台的歷史，更要讓人肅然起敬：這是1878年美國物理學家邁克爾遜測量光速，以驗證以太是否存在的地方，眾所周知，該實驗的結果為狹義相對論的提出鋪平了道路；1920年代，美國天文學家哈勃利用這裡的望遠鏡發現遙遠星系正遠離我們，這一結果又直接導致了宇宙大爆炸理論的提出……當時加州理工和威爾遜天文台都人才濟濟，而且近在咫尺，學術交流頻繁。頭腦敏銳的茨維基看到天文學的廣闊前景，於是適時地調整了自己的研究方向。

不過據有關茨維基的一則軼事說，他轉行的直接起因是：茨維基有一次指責密立根，說他自己從來沒有一個好點子，搞研究總是跟在人家屁股後面。密立根當即反問道：「那麼，小夥子，你呢？」茨維基毫不示怯地說：「我每隔一年就會想出一個好點子，不信么，給我一個課題，我保證給你想出個好點子來。」密立根於是叫他到天體物理學上試試，當時加州理工正在籌建帕洛馬天文台，正需要天體物理學家。

總之，不論是什麼風把茨維基吹到天文學上去的，有一點可以肯定，茨維基真是太幸運了，因為那正是天文學大發展的年代，而加州理工又正好是國際天文學的學術重鎮。

「中子星是我的孩子！」

在茨維基的許多同事看來，他是一個信口開河、喜歡自吹自擂的討厭傢伙，而且極端自負，說話粗魯，經常得罪人，——這也是過去的許多天文學教科書對他不屑一提的原因——但後代的天文學家回頭來看，認為他是一個極富創造力的天才。

在這個人身上，直覺的器官好像比誰都發達，能夠一下子就抓住事物的本質，雖然隨後的計算經常錯誤百出，——看來數學沒學好；但事後總是一再證明，他的多數想法基本上還是正確的。

以中子星的提出為例。在19世紀和20世紀之交，天文學家觀測到幾十顆超級明亮的新星，它們會突然爆發，比先前亮上萬倍，然後又慢慢暗淡下去。

1930年代，德國天文學家巴德經過計算驚訝地發現，這些新星的實際亮度竟然是太陽的100億倍！巴德名之為「新星」（茨維基覺得這個名字不過癮，後來改成了「超新星」）。是什麼神奇的機制使超新星如此明亮的呢？

茨維基完全被這些新的宇宙天體迷住了。他和巴德沒完沒了地討論，兩人經常爭得面紅耳赤。有一次，暴躁的茨維基甚至口出粗話，罵巴德是「納粹」。但這一切並沒有影響他們的合作。

他們設想超新星是正常恆星爆炸產生的，但爆炸的能量從何而來？茨維基又進一步設想，正常恆星在自身引力作用下，不斷坍縮，密度不斷增大，當大到原子核的密度的時候，由於普通物質轉化為核物質要發生質量虧損，虧損的質量化為能量，由此引起一場驚天動地的爆炸。

那麼超新星爆發後，殘餘的核是什麼？難道是一個巨大的原子核？1932年，英國物理學家查德威克剛好發現了中子。消息傳來，敏銳的茨維基立刻抓住這條線索，認定殘餘的就是中子，所以超新星爆發之後，殘餘核變成了中子星。

這個設想基本上是對的，但茨維基在細節的計算上卻犯了許多錯誤。要知道，茨維基是個愛走極端的人，在計算上也是如此，比方說，假如有個值介於「1萬到1000萬之間」，那麼他就一口咬定是最大的那個值「1000萬」，並熱情地引用它。

雖然自己的理論中還存在許多漏洞和謬誤，雖然當時發現中子星的希望八字還沒一撇（中子星的發現是35年之後的事），但茨維基已經迫不及待地宣揚開了。1930年代，他的的每一次演講，每一篇文章，言必中子星；這還不夠，他還跑到廣播節目中普及他的中子星。

關於中子星的嚴格證明和論述是1938年由另一位物理學家奧本海默給出的。這是一篇科學上的典範之作，嚴謹，優美。但我們不能不承認，這篇論文的基本思想框架卻來自茨維基。這就難怪，當茨維基看到後來的天文學家談論中子星，只引用奧本海默的文章，而不引用他的文章時，就暴跳如雷，大叫大嚷「中子星是我的孩子！」

「暗物質和暗能量之父」

茨維基並不滿足於解釋超新星，他還想解釋宇宙中的一切事情。

1930年代，人們注意到空間經常會出現一些能量非常高的粒子，現在我們名之為「宇宙線」。密立根當時是研究宇宙線的權威。茨維基極力要密立根相信這些粒子來自遙遠的銀河系之外，這一點現在看來是對的；但他愛走極端，又說，它們來自宇宙最遙遠的地方，那就錯了。

1933年，茨維基注意到大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是其中恆星質量總和的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之後幾十年的觀測分析證實了這一點。那些額外的質量來自何處？現在人們普遍認為來自暗物質，雖然對暗物質是什麼迄今一無所知。茨維基的這個發現是暗物質存在的第一個證據，所以他被人尊為「暗物質之父」。

1998年，正值茨維基誕辰100周年紀念，天文學家通過對宇宙深處超新星的觀測，發現宇宙膨脹在加速。人們假定宇宙中有一種類似斥力的東西在作祟，併名之為「暗能量」。因為在這一發現的過程中，超新星起到關鍵的作用（見我刊2011年12期《給宇宙膨脹測量速度》一文），而歷史上茨維基對超新星的研究做出過舉足輕重的貢獻，所以大家又稱他是「暗能量之父」。

愛因斯坦的廣義相對論預言，光線在穿越大質量天體附近時，會發生偏折。1937年，茨維基據此提出引力透鏡的概念，認為光線在引力場中發生偏折，就象光線從空氣進入玻璃一樣，玻璃能用來做透鏡使物體成像，引力場也一樣。當時大家都認為他不過是在故作驚人語，沒想到1979年，引力透鏡現象還真的被發現了。

值得一提的是，茨維基不但是一個出色的理論家，還是一個優秀的實驗家。在提出超新星理論的時候，他還親自進行觀測。他一生中獨自一人就發現了120顆超新星，這個紀錄至今還沒有被打破。

在威爾遜天文台至今還流傳著他的一件軼事：有一個夜晚，茨維基在觀察星象。由於空氣的擾動影響了觀測，他就吩咐助手通過望遠鏡的縫隙朝天空放槍，來消除擾動。雖然這樣做並沒有產生效果，但從這個故事中我們可以領略茨維基那種不循常規的做事方式。

茨維基還參與了多項美國太空飛行計劃。他引以為豪的一項是，首次發明了一種能把子彈射向太空的槍（子彈就成了微型衛星了）。他對人類改造太空充滿信心，比如1960年代，他提出一個瘋狂的設想：人類不妨向太陽發射炸彈，來改變太陽內部的核反應進程，從而改變太陽以及整個太陽系的軌道，這樣，我們到鄰近的恆星，比如說半人馬座，距離就可以大大縮短了。

晚年的茨維基回到了瑞士，並死在了他年輕時愛攀登的阿爾卑斯山下。在他的家鄉，至今建有紀念他的博物館。

綜觀20世紀物理學史，我們發現茨維基在物理學家中可算個另類。他雖然以理論家著稱，但在當時，理論素養比茨維基高的物理學家不知有多少，但為什麼做出這麼多重大意義發現的獨獨是他呢？

從茨維基的「人生傳記」看，首先這要歸功於他那一眼直抵事物本質的敏銳直覺。但直覺並不是憑空而來的，這與茨維基長期頻繁地跟實驗家打交道，甚至親自參與實驗得來的經驗是分不開的。

其次，一個人的缺點有時候恰恰就是他的優點。一般人以慎重為美德，但慎重過了頭就成了謹小慎微。而茨維基恰恰相反，大大咧咧，不怕說錯話，不怕人家把他當傻子看。他一生引為自勉的是德國詩人席勒的一句詩「如果你不拿你的生活冒險，你就不能贏得生活。」這句話也許同樣值得我們借鑒。

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