我們的宇宙是由什么構(gòu)成的？

梅麗莎·霍根布姆+高鵬

如果一個(gè)外星人設(shè)法從另一個(gè)平行宇宙造訪我們的宇宙，很可能根本不會(huì)注意到我們的存在。

從某種意義上說，這是顯而易見的：宇宙太大了，而地球只不過是一個(gè)微不足道的、淡藍(lán)色的小點(diǎn)而已。但比這更糟的是：外星人可能無(wú)視所有的恒星，以及圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，甚至可能對(duì)飄過太空的那些巨大的塵埃云也視而不見。

但是，所有這些我們熟悉的東西，僅僅占宇宙物質(zhì)的很小一部分。宇宙中剩下的部分是由某些其他“東西”構(gòu)成的，這種“東西”是地球人類從未看到過的。

物理學(xué)家將這種“東西”稱為“暗物質(zhì)”。如果宇宙中沒有暗物質(zhì)的存在，那么宇宙中的星系就會(huì)飛散而去。沒有人知道暗物質(zhì)究竟是什么，但物理學(xué)家正在熱切地追尋其蹤跡。

你所看到的身邊的一切——從你的身體，到你站立的這顆行星， 以及天空中的點(diǎn)點(diǎn)繁星——都是由原子構(gòu)成的。所有這些原子又是由更小的粒子，如質(zhì)子和中子構(gòu)成的，而這些粒子中的很多還可以進(jìn)一步分解。

茲威基是一個(gè)瘋狂的理論家，他把自己能夠觀測(cè)到的所有的力都加在一起，發(fā)現(xiàn)還是不足以解釋事實(shí)。

20世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家開始了解原子的組成時(shí)，似乎我們即將參透宇宙中所有物質(zhì)的本質(zhì)。但是在1933年，一位名叫弗里茨·茲威基的瑞士天文學(xué)家提出，宇宙的絕大部分必定是由某種完全不同的物質(zhì)組成的。他將星系群中所有他能觀測(cè)到的物質(zhì)的質(zhì)量加在一起，發(fā)現(xiàn)這些質(zhì)量所能產(chǎn)生的引力強(qiáng)度，不足以將星系聚攏在一起。

“同時(shí)，茲威基觀測(cè)到的星系都‘轉(zhuǎn)得太快了，以至于在如此快的轉(zhuǎn)速下，它們?cè)缇蛻?yīng)該把自己給甩出去，分布在宇宙的各個(gè)角落了?！庇?guó)杜倫大學(xué)的理查德·梅西說，“宇宙中的每一個(gè)星系都像是一個(gè)旋轉(zhuǎn)過快的旋轉(zhuǎn)木馬，上面的乘客都將被甩出去！”

茲威基意識(shí)到，宇宙中必定還有其他物質(zhì)，一些他無(wú)法直接觀測(cè)到，但擁有足夠強(qiáng)大的引力，從而將星系攏在一起的物質(zhì)。他將這種未知的物質(zhì)形態(tài)稱為“暗”。

在當(dāng)時(shí)，他被認(rèn)為是一個(gè)怪人，而他的理論也沒有得到認(rèn)真對(duì)待。直到20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家薇拉·魯賓發(fā)現(xiàn)我們附近星系的旋轉(zhuǎn)方式有些不對(duì)勁。

這些星系中一定有某種東西在起作用，從而阻止了恒星飛離星系。

在我們的太陽(yáng)系中，有一個(gè)簡(jiǎn)單的法則：一顆行星距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)引力對(duì)它的作用就越弱。因此，這顆行星將運(yùn)行得更慢，其公轉(zhuǎn)一周會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。同樣的法則應(yīng)當(dāng)也適用于圍繞星系中心運(yùn)行的恒星：隨著引力作用的減弱，離星系中心最遠(yuǎn)的恒星的運(yùn)行速度也應(yīng)該是最慢的。

然而，魯賓發(fā)現(xiàn)，距離星系中心最遠(yuǎn)的恒星與星系中心附近的恒星運(yùn)行得一樣快。魯賓認(rèn)為，這些星系中一定有某種東西在起作用，從而阻止了這些恒星飛離星系。歸根結(jié)底，也就是說，茲威基當(dāng)年的路子是對(duì)的。

以我們目前對(duì)宇宙的了解，天文學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)在宇宙形成的過程中起到了基礎(chǔ)性的作用。

幾乎從140億年前宇宙大爆炸后的那一刻起，宇宙就開始了快速的膨脹，星系團(tuán)開始形成。然而，宇宙的膨脹并沒有快到所有星系都飛到宇宙邊邊角角的地步。這是因?yàn)椋M管暗物質(zhì)看不見摸不著，但它將宇宙中所有的一切都攏在一起。

暗物質(zhì)（紅色）、光（黃色）和星系（藍(lán)色）的示意圖

從某種意義上說，暗物質(zhì)就像風(fēng)一樣，我們無(wú)法直接看到它，但是知道它就在那里。更重要的是，宇宙中暗物質(zhì)的量很大：大約占整個(gè)宇宙物質(zhì)的25%。有時(shí)候，人們說宇宙中所有物質(zhì)的大約80%是暗物質(zhì)。那是因?yàn)椋钪嬷挥袇^(qū)30%是由物質(zhì)構(gòu)成的，剩下的是能量。

20世紀(jì)80年代，暗物質(zhì)存在的第一個(gè)確鑿證據(jù)出現(xiàn)了。

暗物質(zhì)是骨架，普通物質(zhì)就掛在暗物質(zhì)骨架上。

1981年，在哈佛大學(xué)，一個(gè)由馬克·戴維斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了最早的星系調(diào)查。他們意識(shí)到，星系并不是以一種統(tǒng)一的模式排列的，“并不是像蛋糕表面的糖衣一樣均勻分布”。

事實(shí)上，星系聚集成了大的星系團(tuán)，每個(gè)星系團(tuán)都包含幾十萬(wàn)個(gè)星系。這些星系團(tuán)構(gòu)成了被稱為“宇宙網(wǎng)絡(luò)”的錯(cuò)綜復(fù)雜的模式。這一網(wǎng)絡(luò)就是由暗物質(zhì)捆綁在一起的。

“換句話說，暗物質(zhì)是骨架，而普通物質(zhì)就掛在暗物質(zhì)骨架上?！庇?guó)劍橋大學(xué)的卡羅琳·克勞福德說，“我們知道，在宇宙的早期暗物質(zhì)就已經(jīng)存在了。將那些材料聚集在一起是至關(guān)重要的，只有這樣，宇宙才能繼續(xù)發(fā)展，成為我們今天看到的結(jié)構(gòu)?！?/p>

英國(guó)杜倫大學(xué)的卡洛斯·弗朗克說：“這些星系團(tuán)的發(fā)現(xiàn)引起了轟動(dòng)?！贝骶S斯——他當(dāng)時(shí)的老板——給他布置了一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)：找出星系以這種方式排列的原因。

擁有這種熱暗物質(zhì)的宇宙，與真實(shí)的宇宙完全不是一回事。

當(dāng)弗朗克著手進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)，他發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有人宣稱解決了這一問題。1980年，一個(gè)由V.A.留比莫夫領(lǐng)導(dǎo)的俄羅斯研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了有關(guān)暗物質(zhì)的一種可能的解釋，認(rèn)為暗物質(zhì)是由中微子組成的。

這是有一定道理的。中微子是黑暗的幽靈般的粒子，與其他物質(zhì)幾乎不發(fā)生相互作用。研究人員提出，所有中微子加起來的質(zhì)量，可能就是宇宙中失蹤的質(zhì)量。

但是這里有一個(gè)問題。中微子是熱暗物質(zhì)，這就意味著它們很輕，因此能夠快速移動(dòng)。當(dāng)弗朗克試圖模擬一個(gè)充滿了熱暗物質(zhì)的宇宙時(shí)，發(fā)現(xiàn)根本行不通。

“令我們失望的是，我們發(fā)現(xiàn)，擁有這種熱暗物質(zhì)的宇宙與真實(shí)的宇宙完全不是一回事。”弗朗克說，“擁有熱暗物質(zhì)的宇宙相當(dāng)完美，但不是我們生活的這個(gè)宇宙。在那個(gè)宇宙中，應(yīng)該存在龐大的超級(jí)星系團(tuán)，而在我們的宇宙中這種情況是不存在的?！?

暗物質(zhì)必須是“冷的”，而且運(yùn)動(dòng)得很慢。下一步就是要找出這種冷暗物質(zhì)在哪里了。

雖然我們無(wú)法直接看到它，但暗物質(zhì)干的一件事會(huì)使自己露出馬腳。它會(huì)使穿過它的光線發(fā)生彎曲。這和光線穿過泳池或是結(jié)了霜的浴室窗戶時(shí)發(fā)生的事情有些相似。

這種效應(yīng)被稱作引力透鏡效應(yīng)，可被用于計(jì)算出暗物質(zhì)在哪里。利用這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家正在創(chuàng)建宇宙暗物質(zhì)地圖。

當(dāng)然，目前的這類地圖還太粗略，無(wú)法展現(xiàn)任何細(xì)節(jié)。在位于加州理工學(xué)院的美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室里，加里·普雷奧說：“這就好比說，你已經(jīng)對(duì)地球上的大陸有了一個(gè)基本的了解，而現(xiàn)在真正感興趣的，是這些大陸上山脈和湖泊的形狀?！?p>

暗物質(zhì)探測(cè)器

盡管如此，對(duì)于暗物質(zhì)在什么地方，我們至少有了一個(gè)大致的了解。但是，我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)到底是什么東西。

對(duì)此，人們已經(jīng)提出了幾個(gè)觀點(diǎn)，其中最流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)是由一種新粒子構(gòu)成的，這種粒子可以通過理論加以預(yù)測(cè)，但從未被觀測(cè)到過。他們將其稱為“弱相互作用大質(zhì)量粒子”（英文縮寫WIMP）。

WIMP只不過是一個(gè)標(biāo)簽罷了，它可能包含很多不同種類的粒子。

“對(duì)我們所處的這個(gè)世界來說，WIMP在各個(gè)方面的作用都是很微弱的。”英國(guó)諾丁漢大學(xué)的安妮·格林說，“首先，它們彼此之間不會(huì)發(fā)生相互作用，更不用說與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用了。當(dāng)你擊打一堵墻時(shí)，你的手會(huì)與墻發(fā)生碰撞。但當(dāng)一個(gè)WIMP與墻壁發(fā)生碰撞，或與另外一個(gè)WIMP發(fā)生碰撞時(shí)，通常來說，它會(huì)徑直穿過對(duì)方。雖然它們的個(gè)頭并不一定很大，但WIMP擁有很大的質(zhì)量，很可能是質(zhì)子質(zhì)量的數(shù)百至數(shù)千倍?！?/p>

問題就在于，我們不知道它究竟有多重。

“WIMP只不過是一個(gè)標(biāo)簽罷了，它可能包含很多不同種類的粒子。”梅西說，“更糟的是，它們來無(wú)影去無(wú)蹤，所以對(duì)它們進(jìn)行探測(cè)是極其困難的?！?/p>

此時(shí)此刻，你可能頓感失望，已經(jīng)開始扔下武器，準(zhǔn)備繳械投降了?！捌鹣龋麄冋J(rèn)定宇宙中到處存在著這種看不見摸不著的物質(zhì)，而現(xiàn)在，他們又認(rèn)定這種物質(zhì)是由某種無(wú)法探測(cè)到的新材料構(gòu)成的！這簡(jiǎn)直是太荒唐啦！”好吧，你并不是第一個(gè)這樣說的人。

任何一個(gè)想要?jiǎng)?chuàng)造出全新引力理論的人，都必須比愛因斯坦更勝一籌。

早在1983年，一些物理學(xué)家就已經(jīng)提出，所謂的暗物質(zhì)根本就不存在。相反，他們認(rèn)為萬(wàn)有引力定律肯定是錯(cuò)的，這才是星系行為如此怪異的原因。這一觀點(diǎn)被稱為“修正牛頓動(dòng)力學(xué)”，英文縮寫為MOND。

“我們正在解讀宇宙中的‘旋轉(zhuǎn)木馬（這里的‘旋轉(zhuǎn)木馬指的是星系）?！泵肺髡f，“在假定我們知道萬(wàn)有引力如何作用的前提下，仔細(xì)觀察這些‘旋轉(zhuǎn)木馬的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也許我們曲解了萬(wàn)有引力定律，從而對(duì)證據(jù)進(jìn)行了錯(cuò)誤的解讀?！?/p>

問題是，對(duì)于暗物質(zhì)，MOND的支持者至今沒能提出一個(gè)切實(shí)可行的替代方案，他們的觀點(diǎn)解釋不了已知的觀測(cè)數(shù)據(jù)?！叭魏我粋€(gè)想要?jiǎng)?chuàng)造出全新引力理論的人，都必須比愛因斯坦更勝一籌。他必須能夠解釋愛因斯坦已經(jīng)解釋的一切現(xiàn)象，還要對(duì)暗物質(zhì)做出解釋。”

2006年，美國(guó)航空航天局發(fā)布了一張氣勢(shì)恢宏的圖像。對(duì)很多研究人員來講，這張圖像的發(fā)布徹底宣告了MOND的失敗。

這是一張顯示兩個(gè)巨大的星系團(tuán)碰撞場(chǎng)景的圖像。由于大多數(shù)物質(zhì)明顯地集中在中心區(qū)域，因此我們可以推測(cè)，那里是萬(wàn)有引力最集中的區(qū)域。

有三種方法可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)

但是在其邊緣區(qū)域，光線在引力的作用下同樣發(fā)生了彎曲。這就意味著，那里存在另外一種形態(tài)的物質(zhì)。

如果這是正確的，那么我們就回到了問題開始的地方。我們面臨的挑戰(zhàn)是，在根本不知道要找的是什么的情況下找到暗物質(zhì)。

這聽起來似乎比大海撈針還要糟糕，但事實(shí)上，有三種方法可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。

第一種方法是觀測(cè)暗物質(zhì)在宇宙中的活動(dòng)。利用已有的宇宙暗物質(zhì)地圖監(jiān)測(cè)其行為，天文學(xué)家或許能夠探測(cè)到偶然發(fā)生的暗物質(zhì)碰撞。

暗物質(zhì)通常會(huì)直接穿過正常物質(zhì)，雙方不發(fā)生任何相互作用。但由于它們的數(shù)量巨大，在非常偶然的情況下，暗物質(zhì)會(huì)“踢”到原子，使原子像一個(gè)臺(tái)球那樣發(fā)生后坐。這一碰撞應(yīng)當(dāng)會(huì)產(chǎn)生伽馬射線——一種能量極高的射線。“在這種極其罕見的情況下，暗物質(zhì)也能夠發(fā)光?！备ダ士苏f。

格林說，他們目前已經(jīng)開展了一些探測(cè)實(shí)驗(yàn)，正致力尋找此類原子核后坐事件。

2014年，利用美國(guó)航空航天局功能強(qiáng)大的費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡獲取的數(shù)據(jù)，研究人員宣稱，他們已經(jīng)檢測(cè)到了由此類撞擊事件產(chǎn)生的伽馬射線。他們發(fā)現(xiàn)，銀河系的一個(gè)區(qū)域內(nèi)似乎存在伽馬射線暴，其來源或許正是暗物質(zhì)。

這種暴發(fā)的模式與理論模型相吻合，但仍然令科學(xué)家感到困惑的是，它們是否真的源于暗物質(zhì)，因?yàn)槊}沖星或恒星死亡時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同樣的伽馬射線。

暗物質(zhì)之間偶爾也會(huì)發(fā)生碰撞，并且也有一種辦法可以對(duì)此進(jìn)行觀測(cè)。

梅西的團(tuán)最近正在監(jiān)測(cè)一些發(fā)生猛烈碰撞的星系。他們預(yù)計(jì)，這些星系內(nèi)的所有暗物質(zhì)都會(huì)徑直穿過對(duì)方。但出乎意料的是，其中一些暗物質(zhì)似乎放慢了腳步，落在了它們所在星系的后面。

這一現(xiàn)象表明，這些暗物質(zhì)之間發(fā)生了相互作用?！叭绻闆r確實(shí)如此，那么這將是我們獲得的首個(gè)證據(jù)，證明暗物質(zhì)與它身外的世界有那么一絲絲的相互作用?！泵肺髡f。

不過，以上這兩種方法都有一個(gè)重大缺陷：你不可能抓住一個(gè)星系大小的暗物質(zhì)云，然后把它放在顯微鏡下仔細(xì)觀察。它們太過龐大了，而且距離我們太遙遠(yuǎn)了。

因此，探測(cè)暗物質(zhì)的第二條路，也許是制造出暗物質(zhì)。

即使大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)確實(shí)制造出一些暗物質(zhì)，但在實(shí)際操作中，探測(cè)器卻不一定能夠檢測(cè)到。

物理學(xué)家希望，利用強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，比如位于瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，能夠做到這一點(diǎn)。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可使質(zhì)子以接近光速的速度相互碰撞。此類碰撞產(chǎn)生的能量將強(qiáng)大到足以擊碎質(zhì)子，使其分裂成質(zhì)子組件。因此，利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，就可以對(duì)這些亞原子碎片進(jìn)行研究。

英國(guó)倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院的馬爾科姆·費(fèi)爾貝恩說，在這類強(qiáng)大的碰撞中，一些新的粒子，比如WIMP，就很有可能被發(fā)現(xiàn)。

他說：“如果暗物質(zhì)的確是由WIMP組成的，并且我們?cè)诖笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)了這種粒子，那么我們將很可能知道宇宙中的暗物質(zhì)究竟是由什么組成的?！?/p>

然而， 如果暗物質(zhì)并不像理論中預(yù)言的WIMP那樣，那么大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將無(wú)法檢測(cè)到它。

在此，還存在另外一個(gè)難題：即使大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)確實(shí)制造出一些暗物質(zhì)，但在實(shí)際操作中，探測(cè)器卻不一定能夠檢測(cè)到。

“實(shí)際情況可能是這樣的：系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有組粒子朝一個(gè)方向移動(dòng)，而在另一個(gè)方向什么也沒有?！辟M(fèi)爾貝恩說，“發(fā)生這種情況只有一種可能，那就是，朝另一個(gè)方向移動(dòng)的是一種探測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到的東西，很可能就是暗物質(zhì)粒子?！?/p>

如果這種方法也失敗了，物理學(xué)家還有第三個(gè)選擇：深入地下。

在一些古老的廢棄礦井以及群山深處，科學(xué)家正等待著，有朝一日WIMP能夠與普通物質(zhì)發(fā)生碰撞，就像費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡在太空深處觀察到的那類碰撞一樣。

每一秒都有數(shù)十億暗物質(zhì)粒子穿過我們的身體?！八鼈?cè)谀愕霓k公室里，在你的房間里，在任何地方。”弗朗克說，“每一秒都有數(shù)十億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過你的身體，你卻渾然不覺?！?/p>

從理論上講，我們應(yīng)當(dāng)可以監(jiān)測(cè)到這些撞擊中發(fā)出的伽馬射線閃光。但問題是，還有很多其他東西穿過了你的身體，包括宇宙射線，這會(huì)將暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號(hào)淹沒。

因此，人們想到了地下實(shí)驗(yàn)，用厚厚的巖層來阻擋絕大部分宇宙射線，因?yàn)榘滴镔|(zhì)粒子可以穿過巖層。

但到目前為止，我們?nèi)晕凑业搅钊诵欧男盘?hào)。2015年8月發(fā)表的一篇論文說，意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的XENON1

00探測(cè)器，迄今仍是一無(wú)所獲。

此前還發(fā)生過數(shù)次誤報(bào)事件。數(shù)年前曾有研究團(tuán)隊(duì)宣稱，他們進(jìn)行的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)檢測(cè)到了暗物質(zhì)，但大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)的并非WIMP。

這是一個(gè)恥辱柱，時(shí)刻提醒我們，距離真正理解我們的宇宙還有多遠(yuǎn)的路要走。

“最終，我們必須通過不止一種途徑觀測(cè)到暗物質(zhì)。只有這樣，我們才能確認(rèn)在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的粒子與星系中的暗物質(zhì)是一回事?！辟M(fèi)爾貝恩說。

就目前而言，我們對(duì)宇宙的大部分仍是一無(wú)所知，并且我們也不清楚這樣的情況究竟還要持續(xù)多久。

一些宇宙學(xué)家，其中也包括弗朗克，對(duì)我們能夠在今后10年內(nèi)找到答案滿懷信心。而另外一些宇宙學(xué)家，比如格林，對(duì)此則顯得信心不足。她認(rèn)為，如果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)近期還不能有所發(fā)現(xiàn)的話，或許就意味著我們找錯(cuò)了方向。

現(xiàn)在，距離茲威基首次提出暗物質(zhì)的存在已經(jīng)80多年了，我們?nèi)晕慈〉冒滴镔|(zhì)的樣品，甚至無(wú)法明確它們究竟是什么東西。這是一個(gè)恥辱柱，時(shí)刻提醒我們，距離真正理解我們的宇宙還有多遠(yuǎn)的路要走。我們也許知道各種各樣的事情，從宇宙的肇始，到地球上生命的演化。但關(guān)于我們宇宙的秘密，仍然有待人們?nèi)ソ視浴?