探尋宇宙的黑暗面

陳厚尊

“暗物質(zhì)”和“暗能量”是如今兩個(gè)在科技文里很火的高頻詞?；蛟S是因?yàn)槎叨加幸粋€(gè)“暗”字在里面，好像顯得很神秘，加上一些媒體撰稿人有意無(wú)意的圖文渲染，愈顯得高深莫測(cè)。實(shí)際上，暗物質(zhì)和暗能量究竟是不是一種物質(zhì)和能量，目前尚有爭(zhēng)議，況且，兩者之間也不存在一般物質(zhì)和能量所滿足的愛(ài)因斯坦質(zhì)能關(guān)系式。簡(jiǎn)言之，它們根本就是兩個(gè)來(lái)自不同領(lǐng)域的不同概念。如果一定要說(shuō)它們之間有什么關(guān)系，可以認(rèn)為，在決定宇宙未來(lái)命運(yùn)的“天平”上，暗物質(zhì)和暗能量都是相當(dāng)重量級(jí)的砝碼。在這個(gè)近似的比喻中，“宇宙命運(yùn)天平”的左側(cè)始終有一個(gè)恒定且神秘的力量，它來(lái)自138億年前的宇宙大爆炸。天文學(xué)家早已知曉，要平衡這支力量，天平的右側(cè)需要大約100克砝碼。重量不足的話，天平遲早會(huì)左偏，也就是引發(fā)所謂的大撕裂；重量過(guò)剩的話，天平遲早會(huì)右偏，也就是引發(fā)所謂的大坍縮。根據(jù)2009年5月14日升空的普朗克衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家證實(shí)，“宇宙命運(yùn)天平”的右側(cè)總共有三枚砝碼：最大的一枚屬于暗能量，有68.3克；第二重的砝碼屬于暗物質(zhì)，有26.8克；另有一枚重4.9克的小砝碼，屬于正常物質(zhì)，也就是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所見(jiàn)的全部燦爛宇宙。三枚砝碼加起來(lái)不多不少，剛剛好是100克。這當(dāng)然不是巧合，而是暴脹理論的必然結(jié)果。據(jù)此看來(lái)，我們的宇宙在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將處于繼續(xù)膨脹的邊緣。這有點(diǎn)像雜技演員走鋼絲，或者一根倒立的針尖，稍有擾動(dòng)，便會(huì)倒向一側(cè)。只是，如果這擾動(dòng)永遠(yuǎn)不會(huì)到來(lái)，理論上講，針尖真的能永遠(yuǎn)倒立下去！

下面，我們就試著撥開(kāi)謠言的迷霧，順著科學(xué)史追根溯源，看看當(dāng)下的人類究竟對(duì)暗物質(zhì)和暗能量了解幾何。筆者承認(rèn)，在這樣的前沿領(lǐng)域中，未知總比已知多。然而，一種十分熟悉的感覺(jué)籠罩了如今的天體物理學(xué)界，依稀將人們帶回100年前那個(gè)巨人輩出的傳奇時(shí)代。就在2013年3月，歐洲核子研究中心宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子存在的確鑿證據(jù)，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖被找到。一時(shí)之間，整個(gè)物理界皆大歡喜。但是，在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型中，我們卻找不到占宇宙物質(zhì)總量85%的暗物質(zhì)的位置，連相近點(diǎn)都沒(méi)有?；仡欉^(guò)往，100多年前，歐洲的科學(xué)家也曾齊聚一堂，共同迎接新世紀(jì)的到來(lái)。當(dāng)晚，開(kāi)爾文男爵發(fā)表了一篇著名的新年演說(shuō)。他在回顧19世紀(jì)物理學(xué)取得的偉大成就時(shí)說(shuō)，除了兩朵小小的“烏云”，物理學(xué)的大廈已然落成，剩下的只是些修飾性工作。后來(lái)的科學(xué)史卻表明，正是從這兩朵小小的“烏云”中，分別脫胎出了相對(duì)論和量子理論，繼而引發(fā)了20世紀(jì)物理學(xué)的革命。

歷史總是驚人相似。暗物質(zhì)與暗能量的本質(zhì)是什么？這是懸在21世紀(jì)物理學(xué)大廈上的兩朵“烏云”。沒(méi)錯(cuò)，當(dāng)下的我們又一次抵達(dá)了物理學(xué)革命的前夜。也許這一次，我們真的離宇宙的真相不遠(yuǎn)了。

何為暗物質(zhì)

暗物質(zhì)的歷史可謂由來(lái)已久。早在19世紀(jì)80年代，就有部分天文學(xué)家察覺(jué)到，根據(jù)恒星圍繞銀河系中心的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算出的銀河系的“動(dòng)力學(xué)質(zhì)量”，與天文觀測(cè)統(tǒng)計(jì)出來(lái)的銀河系的“發(fā)光物質(zhì)質(zhì)量”似乎總也對(duì)不上，前者普遍比后者大很多。1906年，法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家亨利·龐加萊用銀河系存在許多不發(fā)光的物質(zhì)來(lái)解釋這一現(xiàn)象，并且第一次使用了“暗物質(zhì)”這個(gè)詞。1933年，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基在研究后發(fā)座星系團(tuán)時(shí)，也注意到了類似現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，茲威基統(tǒng)計(jì)出了后發(fā)座星系團(tuán)內(nèi)各成員星系的亮度和數(shù)目，進(jìn)而計(jì)算出了星系團(tuán)內(nèi)所有發(fā)光物質(zhì)的總質(zhì)量。之后，茲威基又測(cè)量了位于星系團(tuán)邊緣的成員星系的運(yùn)動(dòng)速度，并據(jù)此算出星系團(tuán)的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量。令茲威基感到驚訝的是，兩者居然相差400倍之多！他只好承認(rèn)，組成后發(fā)座星系團(tuán)的絕大部分物質(zhì)其實(shí)是不發(fā)光的。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)茲威基當(dāng)年對(duì)后發(fā)座星系團(tuán)的暗物質(zhì)總量估計(jì)有誤，原因是茲威基使用了過(guò)時(shí)的哈勃常數(shù)，導(dǎo)致他得到了相對(duì)偏小的星系距離，進(jìn)而低估了成員星系的本征亮度。即便如此，后發(fā)座星系團(tuán)的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量依舊是其可見(jiàn)物質(zhì)質(zhì)量的10倍之多。

1974年， 美國(guó)女天文學(xué)家薇拉·魯賓在研究三角座星系M33的自轉(zhuǎn)速度曲線時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)恒星的旋轉(zhuǎn)速度普遍比牛頓引力預(yù)期的要快，好像有一團(tuán)看不見(jiàn)的物質(zhì)暈正牽引著星系外側(cè)的天體，使其不至于因離心力過(guò)大而分崩離析。20世紀(jì)70年代末發(fā)現(xiàn)的引力透鏡現(xiàn)象同樣向天文學(xué)家昭示了暗物質(zhì)的存在。根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)言，時(shí)空會(huì)在大質(zhì)量天體（如星系團(tuán)）附近

發(fā)生畸變，使光線在大質(zhì)量天體附近發(fā)生彎曲。當(dāng)大質(zhì)量天體恰好處于地球和背景星系之間時(shí)，背景星系的影像便會(huì)發(fā)生扭曲。這就像是隔著一片哈哈鏡觀看目標(biāo)一樣。當(dāng)然，引力透鏡系統(tǒng)也有強(qiáng)、弱、微之分。簡(jiǎn)言之，能被人從照片上看出來(lái)的圖像增亮或扭曲，都屬于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)；而弱引力透鏡對(duì)背景星系圖像的影響僅限于朝某一個(gè)方向拉長(zhǎng)一些而已。由于我們事先并不知道背景星系的形狀，所以，此類影響一般不能直接看出，而是要借助統(tǒng)計(jì)學(xué)手段，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的計(jì)算，從本應(yīng)雜亂無(wú)章、各向同性的星系分布模式中，將弱引力透鏡系統(tǒng)帶來(lái)的各向異性的圖像扭曲成分小心地剝離出來(lái)。目前，借助計(jì)算機(jī)程序，天文學(xué)家甚至能從一片天區(qū)的超深空?qǐng)D像里反向還原出透鏡天體的質(zhì)量分布情況。其中，既有像星系團(tuán)這樣的可見(jiàn)天體，也有許多不可見(jiàn)天體。那么，這些盤(pán)踞在宇宙深處的隱形透鏡天體是什么？毫無(wú)疑問(wèn)，暗物質(zhì)團(tuán)塊是其中最可能的候選者。

暗物質(zhì)是什么

暗物質(zhì)究竟是什么類型的物質(zhì)？起初，天文學(xué)家也曾將暗物質(zhì)的組成寄希望于流浪在宇宙深處的、不發(fā)光的褐矮星、黑洞，或者暗星云、星系際塵埃等天體。然而，天文學(xué)家尋遍了所有電磁波段，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)留下的蹤跡。這意味著，構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子不參與電磁相互作用，這就排除了暗星云和星系際塵埃的可能（準(zhǔn)確地說(shuō)，應(yīng)該是星云和塵埃在暗物質(zhì)中所占比例很低）。那么，流浪的褐矮星或者沒(méi)有吸積盤(pán)的黑洞又如何呢？它們?cè)谔煳慕绫唤y(tǒng)稱為MACHO，是“大質(zhì)量致密暈天體”的英文縮寫(xiě)，因?yàn)檫@類天體有個(gè)特點(diǎn)，就是體積很小，很致密。20世紀(jì)七十年代，天文學(xué)家也曾認(rèn)真考慮過(guò)此類候選者。當(dāng)時(shí)，來(lái)自英國(guó)的天文學(xué)家阿爾科克與波蘭天文學(xué)家帕金斯基組成了兩個(gè)獨(dú)立的研究組，采用剛誕生不久的微引力透鏡方法搜索銀河系中的MACHO。他們的方法很巧妙，就是用望遠(yuǎn)鏡持續(xù)觀測(cè)大麥哲倫星系和銀河系中心恒星密集的地方。如果銀河系中存在大量看不見(jiàn)的MACHO，它們的微引力透鏡效應(yīng)會(huì)使得遠(yuǎn)處的恒星亮度發(fā)生短暫的、有特點(diǎn)的變化。兩個(gè)項(xiàng)目確實(shí)發(fā)現(xiàn)了許多起恒星閃爍事件，但只有極少數(shù)符合MACHO給出的亮度變化曲線，余下的都是恒星的內(nèi)稟閃爍，也就是變星。據(jù)此算出的MACHO質(zhì)量遠(yuǎn)低于暗物質(zhì)總量。換句話說(shuō)，流浪的褐矮星或黑洞等天體在暗物質(zhì)中所占的比例同樣不高。

根據(jù)暗物質(zhì)不參與電磁相互作用的特點(diǎn)，有天文學(xué)家猜測(cè)，暗物質(zhì)的主要組成部分也許是在宇宙空間中高速飛行的中微子。這種猜測(cè)要想成立需要一個(gè)前提，就是中微子具有不為零的靜止質(zhì)量。中微子是否有靜止質(zhì)量一直是物理學(xué)家密切關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)樗婕疤?yáng)中微子的失蹤之謎。1968年至1988年， 美國(guó)物理學(xué)家戴維斯曾對(duì)太陽(yáng)中微子進(jìn)行過(guò)多次觀測(cè)。他把所有測(cè)量結(jié)果做了平均，扣除掉宇宙線的影響后，發(fā)現(xiàn)每天記錄到的中微子流量只有太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的1/3。后來(lái)，位于日本神岡的研究組也得到了大體相同的結(jié)論。這樣大的差異表明，一定有什么地方出了嚴(yán)重的問(wèn)題。對(duì)此，理論物理學(xué)家給出過(guò)各種各樣的說(shuō)法，其中最引人注目的一種解釋說(shuō)，在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型里，中微子有e、μ、τ三種質(zhì)量本征態(tài)，隨著時(shí)間推移，這三種成分的比例在不停地相互轉(zhuǎn)化。這樣，當(dāng)產(chǎn)生于太陽(yáng)的e 型中微子抵達(dá)地球時(shí)，就會(huì)有2/3變化為μ型和τ型。我們?cè)诘厍蛏纤芴綔y(cè)的僅僅是e型中微子，就當(dāng)然只有總數(shù)的1/3。這便是大名鼎鼎的中微子振蕩理論，它成立的前提依然是中微子具有不為零的靜止質(zhì)量。1998年，由日本物理學(xué)家小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)的超級(jí)神岡探測(cè)器以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，這表明中微子有質(zhì)量，而不是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的零質(zhì)量粒子。但是迄今，所有直接測(cè)量中微子靜止質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)都只能給出一個(gè)上限值，而且，最近的一項(xiàng)研究帶來(lái)了更加負(fù)面的消息：根據(jù)威爾金森微波各向異性探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)，宇宙中所有中微子對(duì)宇宙物質(zhì)密度的貢獻(xiàn)上限約為千分之八。這意味著，中微子在暗物質(zhì)中所占比例也很低。

據(jù)此看來(lái)，宇宙中暗物質(zhì)的組成并不單一。按照目前天文學(xué)界的主流觀點(diǎn)，暗物質(zhì)可以分為兩大類：重子暗物質(zhì)和非重子暗物質(zhì)。重子暗物質(zhì)能參與電磁相互作用，本身可以發(fā)光，但在某些情況下缺乏發(fā)光條件，就變成了重子暗物質(zhì)。前面提到的MACHO天體就劃歸此類，其成員包括流浪的褐矮星、黑洞、溫度極低的白矮星等等。重子暗物質(zhì)在全部暗物質(zhì)中所占比例很小，宇宙中的暗物質(zhì)主要是不參與電磁相互作用的非重子暗物質(zhì)。組成非重子暗物質(zhì)的粒子被稱為WIMPs，即“有質(zhì)量弱相互作用粒子”的英文縮寫(xiě)。WIMPs粒子之間，以及重子與WIMPs之間只有萬(wàn)有引力作用和弱相互作用。按照WIMPs粒子的物理性質(zhì)，可將其粗略劃分為熱、溫、冷三種。以中微子為代表的暗物質(zhì)粒子候選者統(tǒng)稱為熱暗物質(zhì)，它們的特點(diǎn)是靜止質(zhì)量小，與宇宙背景輻射發(fā)生退耦時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度接近光速；與此相對(duì)應(yīng)的是冷暗物質(zhì)，其特點(diǎn)是質(zhì)量大，退耦時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速；此外還有介于兩者之間的溫暗物質(zhì)，其各方面的表現(xiàn)也介于二者之間。

冷暗物質(zhì)模型異軍突起

那么，真實(shí)宇宙中的暗物質(zhì)屬于哪種類型呢？這是個(gè)十分困難的問(wèn)題。首先，由于暗物質(zhì)只在星系尺度，甚至是宇宙尺度上體現(xiàn)可觀的引力效應(yīng)（例如星系自轉(zhuǎn)曲線、彌散速度、引力透鏡效應(yīng)等），不參與通常的電磁相互作用，因此，能研究暗物質(zhì)性質(zhì)的手段少之又少。時(shí)至今日，物理學(xué)家也不曾在地面實(shí)驗(yàn)中捕獲到任何暗物質(zhì)粒子，更遑論測(cè)量它們的速度了。但是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自宇宙大爆炸發(fā)生以后，熱、溫、冷三種類型的暗物質(zhì)會(huì)很快與宇宙背景輻射發(fā)生退耦。退耦時(shí)的宇宙溫度約為1000億K。此時(shí)，三種類型的暗物質(zhì)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)速度大小會(huì)間接影響到宇宙結(jié)構(gòu)的形成模式。何以如此呢？我們知道，宇宙在暴脹過(guò)程結(jié)束的時(shí)候，并非是完全均勻的一鍋“熱湯”，而是存在一定的原初物質(zhì)漲落。這是不確定性原理的必然要求，也是宇宙從微觀尺度暴脹至宏觀尺度后保留下來(lái)的量子效應(yīng)印記。正是這些微小的原初密度漲落的“種子”，演化出了如今觀測(cè)到的各種宇宙結(jié)構(gòu)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)值模擬技術(shù)突飛猛進(jìn)，這其中就包括了以大型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的超大規(guī)模宇宙學(xué)模擬。計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬表明，熱暗物質(zhì)發(fā)生退耦時(shí)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)接近光速，這會(huì)“抹平”小尺度上的密度不均勻性，只保留大尺度上的物質(zhì)不均。如此一來(lái)，宇宙結(jié)構(gòu)的形成必然遵從“自上而下”的分裂模式，即先形成超大規(guī)模的星系團(tuán)，之后是小星系團(tuán)，最后才是星系。由冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙則相反，在宇宙結(jié)構(gòu)的形成上遵循“自下而上”的合并模式。這是因?yàn)槔浒滴镔|(zhì)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)太小，不足以抹平小尺度上的密度漲落，物質(zhì)必然先從小尺度的團(tuán)塊開(kāi)始，在萬(wàn)有引力的作用下逐步合并，最后形成今日所見(jiàn)的大尺度宇宙結(jié)構(gòu)。相較前者，由冷暗物質(zhì)模型主導(dǎo)的宇宙會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)形成更豐富的宇宙纖維結(jié)構(gòu)，與我們?cè)趯?shí)際觀測(cè)中看到的圖像符合得很好。因此，冷暗物質(zhì)宇宙模型被認(rèn)為是更成功的暗物質(zhì)模型。（待續(xù)）