從以太到暗物質(zhì)

亞歷山大·弗賴　徐方

暗物質(zhì)是宇宙中最常見、最難以捉摸的物質(zhì)。我們能弄明白這個(gè)物理學(xué)中偉大的、尚未解決的問題嗎？

我坐在華盛頓大學(xué)的講臺(tái)上跟臺(tái)下的人講暗物質(zhì)，同時(shí)也在想，他們是否真的相信這些，甚至是否懷疑我是否真的相信這些。

在科學(xué)領(lǐng)域，奧卡姆剃刀原理的解釋是：當(dāng)兩個(gè)處于競爭地位的理論能得出同樣的結(jié)論時(shí)，那么簡單的那個(gè)更好。這一表述也有一種更為常見的形式：如果有兩個(gè)原理，它們都能解釋觀測到的事實(shí)，那么你應(yīng)該使用簡單的那個(gè)，直到發(fā)現(xiàn)更多的證據(jù)。對(duì)于現(xiàn)象，最簡單的解釋往往比較復(fù)雜的解釋更正確。如果你有兩個(gè)類似的解決方案，選擇簡單的那個(gè)，需要最少假設(shè)的解釋最有可能是正確的。

而在宇宙學(xué)領(lǐng)域，奧卡姆剃刀可能幫助我們解決不少謎題，比如有關(guān)暗物質(zhì)的假設(shè)。只要假設(shè)有暗物質(zhì)存在，就可以解釋很多事實(shí)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的暗物質(zhì)理論解釋不了的現(xiàn)象時(shí)，我們可以再假設(shè)另一個(gè)神秘的存在，比如，在標(biāo)準(zhǔn)的暗物質(zhì)理論中引入“微弱的自我相互作用力”。標(biāo)準(zhǔn)暗物質(zhì)理論認(rèn)為，暗粒子碰撞是一種弱散射模式。

我們已經(jīng)逐漸習(xí)慣這樣的認(rèn)識(shí)：自然界的真實(shí)性是一個(gè)不確定的量子領(lǐng)域，我們所看到的并不一定是它的真實(shí)面目。

暗物質(zhì)是對(duì)這個(gè)概念的深度擴(kuò)展，它讓我們意識(shí)到，宇宙中的大部分物質(zhì)藏在我們的認(rèn)知之外。這使物理學(xué)家和公眾憂心忡忡。物理學(xué)家擔(dān)心無法提出一個(gè)可以被明確證實(shí)的預(yù)測，也不能做出對(duì)物質(zhì)本身的積極的探測。這種情形與一個(gè)多世紀(jì)前對(duì)以太的爭議有著相似之處。

2 0世紀(jì)3 0年代， 瑞士天文學(xué)家弗里茨· 茲威基觀測到星系團(tuán)受引力束縛，圍繞彼此快速旋轉(zhuǎn)，似乎只有“存在一個(gè)非常大的、看不見的物團(tuán)的引力”才能解釋它們?yōu)槭裁礇]有簡單地分開旋轉(zhuǎn)。茲威基非常隨意地假定有某種暗物質(zhì)存在——他只是覺得存在著他無法看到的事物。天文學(xué)家不斷在宇宙中發(fā)現(xiàn)存才看不見的物質(zhì)的證據(jù)，例如星系的恒星旋轉(zhuǎn)速度太快。暗物質(zhì)似乎是宇宙中最常見的物質(zhì)形態(tài)。

暗物質(zhì)不與恒星、行星或其他我們已知的普通物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，科學(xué)家只是通過其引力作用推斷出它的存在。傷腦筋的是，引力是基本力中最弱的，卻是唯一重要的遠(yuǎn)程力，這解釋了為什么暗物質(zhì)大規(guī)模地主導(dǎo)著宇宙的結(jié)構(gòu)。在過去的半個(gè)世紀(jì)里，宇宙大爆炸理論很好地描述了我們觀測到的宇宙。這種宇宙論得到了許多觀測數(shù)據(jù)的支持，包括無處不在的宇宙輻射場、星系在天空中的分布情況和星系團(tuán)的碰撞。這些強(qiáng)有力的觀測資料綜合了來自天文學(xué)許多領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和獨(dú)立分析，所有數(shù)據(jù)都強(qiáng)烈支持一個(gè)包含暗物質(zhì)的宇宙論模式。但沒有一個(gè)理論能解釋暗物質(zhì)究竟是什么，這真是物理學(xué)中一個(gè)尚未解決的巨大問題。

我們正處在一個(gè)發(fā)現(xiàn)的時(shí)代。大部分已被驗(yàn)證的理論主宰著我們已經(jīng)觀察到的各種各樣的基本粒子，并支持其他的、迄今尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子存在。幾十年前，理論物理學(xué)家意識(shí)到可能存在一種弱相互作用重粒子（WIMP）。這種粒子擁有暗物質(zhì)的所有適當(dāng)?shù)奶匦裕⑶夷軌螂[藏在我們的眼皮底下。如果暗物質(zhì)確實(shí)是WIMP，它會(huì)與普通物質(zhì)進(jìn)行十分微弱的相互作用，以至于我們很難發(fā)現(xiàn)，僅僅能夠通過正在進(jìn)行的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)它。在美國南達(dá)科他州進(jìn)行的大型地下氙實(shí)驗(yàn)探測器（LUX）是世界上最大的暗物質(zhì)探測器，能夠探測到最微量的亞原子粒子。然而，尋找暗物質(zhì)是一個(gè)等待的游戲。到目前為止，探測器只捕獲了宇宙噪聲。不過事情就是這樣，就像英國物理學(xué)家約翰·達(dá)巴羅所說，宇宙沒有任何理由為我們的方便而設(shè)計(jì)。

關(guān)于暗物質(zhì)，可能性似乎如下：①暗物質(zhì)存在；②暗物質(zhì)不存在；③如果暗物質(zhì)存在，那么我們可以檢測它或者我們不能檢測它；④如果它不存在，那么我們可以證明它不存在或者我們不能證明它不存在。引導(dǎo)天文學(xué)家斷定暗物質(zhì)存在的觀測數(shù)據(jù)似乎非常有力，難以被推翻。所以，認(rèn)為暗物質(zhì)不存在的人認(rèn)為，問題出在我們對(duì)引力的理解上，是我們的理解存在某些錯(cuò)誤——它并不像愛因斯坦預(yù)言的那樣。

如果真是這樣，那會(huì)使如今的物理學(xué)發(fā)生翻天覆地的改變，所以沒有多少人認(rèn)同這種說法。不過，如果暗物質(zhì)存在，我們卻無法檢測到它，那我們將處在一個(gè)非常尷尬的位置。

我們正經(jīng)歷一個(gè)宇宙學(xué)的黃金時(shí)代。在過去的2 0年里，我們測量了大爆炸的殘余輻射，了解到宇宙的膨脹速度正在加快，瞥見了黑洞并且發(fā)現(xiàn)了宇宙有史以來最輝煌的爆炸。在接下來的幾十年里，我們可能會(huì)觀察到宇宙中的第一代恒星，繪出幾乎完整的物質(zhì)分布圖，通過引力波“聽到”黑洞的劇烈合并。暗物質(zhì)則提供了一個(gè)獨(dú)特的誘人前景，融合了新觀測結(jié)果、理論、技術(shù)和資金（我們希望）。在我們想要放棄的時(shí)候，總有一絲可能性引誘著我們：我們也許只是需要一個(gè)更好的實(shí)驗(yàn)。尋找暗物質(zhì)的方法主要有三類：人工制造（在粒子加速器中）、間接檢測和直接檢測。最令人興奮的是最后一類，研究者試圖在野外捕捉WIMP。LUX是新一代超敏感實(shí)驗(yàn)的頂尖設(shè)備，主要探測WIMP 與普通原子核的相互作用。這些檢測目標(biāo)通常非常單一，例如，將原始的元素鍺或氙冷卻到極低溫度并且屏蔽來自外部的粒子，因?yàn)殡x散的粒子會(huì)以任何可能的方式潛入，所以就可以通過密切監(jiān)測、精確統(tǒng)計(jì)闖入粒子的相互作用來確認(rèn)真正的暗物質(zhì)相互作用事件。這種相互作用非常弱，檢測起來困難重重。暗物質(zhì)可能和普通物質(zhì)一樣復(fù)雜。目前尋找暗物質(zhì)的方法可能忽略了這種復(fù)雜性，比如暗物質(zhì)生命，甚至暗物質(zhì)化學(xué)。通過前面的方法，我們可能發(fā)現(xiàn)一種粒子，但只能解釋一小部分預(yù)期的暗物質(zhì)。

從某種意義上說，這已經(jīng)發(fā)生了。中微子難以捉摸，但普遍存在（每秒有6 0 0億中微子通過你小指大小的區(qū)域）。它們幾乎不與普通物質(zhì)相互作用，完全沒有質(zhì)量。中微子構(gòu)成了大規(guī)模宇宙的一小部分，表現(xiàn)得像一種奇怪的暗物質(zhì)。當(dāng)然，中微子不是暗物質(zhì)，但間接證明了可能存在不同類型的暗物質(zhì)。

我們正處于一個(gè)對(duì)未知充滿強(qiáng)烈興趣的時(shí)代。物理學(xué)家說，如果我們確定暗物質(zhì)并不是WIMP，我們就已取得了一些成績。這不是一個(gè)發(fā)現(xiàn)嗎？一些人正在探索暗物質(zhì)的相互作用，但這種相互作用我們可能永遠(yuǎn)不會(huì)知情。因?yàn)榘滴镔|(zhì)的相互作用極其微小，不會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)理論。它甚至?xí)凶约浩娈惖挠钪?，一個(gè)黑暗的領(lǐng)域。這種可能性使物理學(xué)家既害怕又欣喜若狂：可能存在一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的暗物質(zhì)領(lǐng)域，能逃避我們的仔細(xì)觀察，就像一個(gè)平行宇宙。

修正暗物質(zhì)的基本思想是比較容易的，這正是所有暗物質(zhì)理論學(xué)者從事的工作。我一直認(rèn)為，暗物質(zhì)可能進(jìn)行了自我相互作用，并利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬星系來驗(yàn)證。在宏觀上，宇宙學(xué)已做出了明確的預(yù)測，這一修正沒起作用。但在微觀上，暗物質(zhì)理論有了動(dòng)搖的跡象，它有助于解決幾個(gè)問題。模擬實(shí)驗(yàn)看上去很巧妙，能做出可被接受的預(yù)測。然而自由參數(shù)太多了——科學(xué)家稱之為微調(diào)——這樣的結(jié)果似乎完全符合觀測數(shù)據(jù)。我們可能永遠(yuǎn)也不確定暗物質(zhì)是否存在自我相互作用。這就是我持保留意見的原因，你最好也這樣做。

我們也許可以推測出這種相互作用的強(qiáng)度上限。所以，每當(dāng)有人問我是否認(rèn)為暗物質(zhì)的自相互作用是正確的，我說不是，我只是闡述一種可能性，不對(duì)這種可能性下斷言。也許有一天，LUX 或者它的一個(gè)競爭對(duì)手可能發(fā)現(xiàn)它們尋找的東西，或者，我可能在一些不起眼的超級(jí)計(jì)算機(jī)中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)某個(gè)隱藏的真相。無論如何，這樣的發(fā)現(xiàn)離我們太遠(yuǎn)，因?yàn)檫@似乎要經(jīng)過好幾層超級(jí)計(jì)算機(jī)的模擬。暗物質(zhì)宇宙是我們宇宙的一部分，但我們永遠(yuǎn)不會(huì)認(rèn)為它像我們的宇宙。自然對(duì)所有人玩了一個(gè)認(rèn)識(shí)論的把戲。我們觀察到的每一種事物都有一種存在，但我們不能觀察到的事物可能有無限種存在。一個(gè)好的理論應(yīng)該是足夠復(fù)雜的。暗物質(zhì)是對(duì)一個(gè)復(fù)雜理論最簡單的解決方式，而不是對(duì)一個(gè)簡單理論最復(fù)雜的解決方式。這不能保證它會(huì)成功。天體物理學(xué)家能否在概念意義上發(fā)現(xiàn)它，永遠(yuǎn)也不會(huì)掌握在我們手中，它游離在掌控之外。無論如何，生活在一個(gè)大部分都未知的宇宙，就好像生活在一個(gè)可能性無窮的王國。