前往宇宙黑暗另一面

宋也

也許你會(huì)注意到，課堂上，老師們手握粉筆，在黑板上書(shū)寫 “疑是銀河落九天”時(shí)，陽(yáng)光照射下飄落的粉筆灰;放學(xué)后，偌大的操場(chǎng)上，同學(xué)們奮力一腳踢向足球后揚(yáng)起的塵土……

無(wú)論是粉筆灰還是塵土，我們都可以統(tǒng)稱它們?yōu)槲镔|(zhì)，它們既看得見(jiàn)，又摸得著。但如果把所有看得見(jiàn)又摸得著的物質(zhì)相加起來(lái)，也只占據(jù)了宇宙大約5%的組成部分。相比之下，看不見(jiàn)也摸不著的暗物質(zhì)，對(duì)宇宙來(lái)說(shuō)可能更加重要，它構(gòu)成了宇宙黑暗而神秘的另一面。

神秘的星系建筑師

暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中大約1/4的物質(zhì)，并幫忙塑造出星系宏偉而壯麗的場(chǎng)景。然而，盡管我們費(fèi)盡心力去尋找它，這位神秘的星系建筑師仍然在躲避人類的偵察。

幾十年來(lái)，我們對(duì)暗物質(zhì)的所有了解都不是通過(guò)直接觀察得來(lái)的。暗物質(zhì)的提出是由于科學(xué)家們?cè)谟^測(cè)夜空時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種詭異的現(xiàn)象：星系外圍的恒星速度比預(yù)期的速度快，甚至快到足以撕裂我們所看到的星系。科學(xué)家們?cè)诿鎸?duì)這種詭異現(xiàn)象時(shí)出現(xiàn)了兩種完全不一樣的觀點(diǎn)：有些科學(xué)家認(rèn)為，是我們現(xiàn)今的理論出現(xiàn)了錯(cuò)誤，所以才無(wú)法解釋這一現(xiàn)象;而另一些科學(xué)家認(rèn)為，理論是正確的，只是我們算錯(cuò)了。

我們知道，星系由星體、氣體等物質(zhì)組成，它們都圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)。根據(jù)牛頓的引力理論，恒星等物質(zhì)圍繞星系中心的旋轉(zhuǎn)速度和星系的質(zhì)量以及離星系中心的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該越慢。那為什么科學(xué)家們的觀測(cè)結(jié)果，卻是距離星系中心很遠(yuǎn)的恒星有著很快的旋轉(zhuǎn)速度呢？

在深入研究后，科學(xué)家們意識(shí)到，原來(lái)是他們算錯(cuò)了星系質(zhì)量，真正的星系質(zhì)量應(yīng)該比他們觀測(cè)到的大得多。他們認(rèn)為，在壯麗星系的幕后，可能潛伏著數(shù)量龐大的無(wú)形而黑暗的物質(zhì)，這種物質(zhì)增加了星系的質(zhì)量，星系才產(chǎn)生足夠的引力拉住外圍高速旋轉(zhuǎn)的恒星，星系才能維系住本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這種物質(zhì)被稱為“暗物質(zhì)”。

暗物質(zhì)一經(jīng)提出，便引發(fā)了科學(xué)家們的爭(zhēng)論：既然暗物質(zhì)真實(shí)存在，那么它究竟是什么？

全新的暗物質(zhì)世界

在探索暗物質(zhì)的幾十年里，弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）一直是暗物質(zhì)的“潛力股”。WIMP是一種仍然停留在理論階段的粒子，它具有以下幾點(diǎn)性質(zhì)：沒(méi)有電磁作用;只通過(guò)弱力和引力產(chǎn)生作用（弱力是四種宇宙基本力中的一種，其余三種分別是引力、電磁力和強(qiáng)力），基本上不通過(guò)強(qiáng)力與普通物質(zhì)相互作用;較大的質(zhì)量;運(yùn)動(dòng)速度緩慢，能夠凝聚成團(tuán)等。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)的特征和WIMP的性質(zhì)極為相似。首先，它必須有相當(dāng)大的質(zhì)量，否則無(wú)法產(chǎn)生可以拉住外圍恒星的引力;一般來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)不能和電磁波發(fā)生作用，也不能發(fā)射電磁波，所以我們才不能直接觀測(cè)到它。但暗物質(zhì)可以凝聚成團(tuán)，成團(tuán)后的暗物質(zhì)質(zhì)量很大，大到可以彎曲光線，而光是一種電磁波（根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，當(dāng)物體質(zhì)量大到一定程度，這個(gè)物體可以彎曲光線）。我們可以通過(guò)觀察光線是否彎曲，來(lái)判斷星系的某處是否有暗物質(zhì);最后，它不與強(qiáng)力發(fā)生作用，也不能和普通物質(zhì)相互作用。

它之所以能成為暗物質(zhì)最熱門的懷疑對(duì)象，還有著一個(gè)驚人的巧合：科學(xué)家們計(jì)算出的從早期宇宙中存活下來(lái)的弱相互作用大質(zhì)量粒子數(shù)量，恰好相當(dāng)于觀測(cè)結(jié)果所需的暗物質(zhì)數(shù)量，這個(gè)巧合也被稱為WIMP奇跡。而且，如果WIMP是暗物質(zhì)粒子的話，那么通過(guò)探測(cè)器也可以探測(cè)到它與普通物質(zhì)的弱相互作用。

相似的性質(zhì)、驚人的巧合和弱相互作用的可探測(cè)性，讓W(xué)IMP在科學(xué)界廣受青睞。但近年來(lái)，一些奇怪的觀測(cè)結(jié)果似乎暗示暗物質(zhì)可能比這復(fù)雜得多。

首先，科學(xué)家們觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)在星系內(nèi)的分布似乎比WIMP模型所預(yù)測(cè)的更加均勻，現(xiàn)今的理論也無(wú)法解釋這一結(jié)果;其次，地球上的粒子實(shí)驗(yàn)也顯示了某些異常：2016年，在匈牙利的一家核物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，研究人員注意到，當(dāng)鈹8（天然鈹?shù)囊环N同位素）衰變成電子和正電子時(shí)，它們以幾乎相反的方向發(fā)射出去，這是十分異常的行為，而現(xiàn)今沒(méi)有一種自然力量能夠解釋它。

這些奇怪的觀測(cè)結(jié)果使得新一批的暗物質(zhì)獵人將“暗物質(zhì)是什么？”推向了一個(gè)新方向：暗物質(zhì)由一系列新的粒子組成，這些粒子都通過(guò)一種宇宙中沒(méi)有任何東西能感覺(jué)到的隱形力量相互作用，組成了與我們熟知的世界共同存在的、平行運(yùn)行的黑暗區(qū)域，黑暗區(qū)域內(nèi)甚至可能形成它們自己的原子和分子，而這種隱形力量也許是宇宙的第五種基本力。至此，一個(gè)全新的暗物質(zhì)世界被成功開(kāi)啟。

而且在他們看來(lái)，如果這個(gè)暗物質(zhì)世界可以和正常的宇宙也就是我們熟知的世界交換信息的話，必定會(huì)有一些罕見(jiàn)的接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)是暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)粒子作用的“門戶”，它們應(yīng)當(dāng)是可以和暗物質(zhì)粒子相互作用的粒子。因此，尋找這樣的粒子成為第一要?jiǎng)?wù)。

光明與黑暗的使者

在縮小粒子范圍、重重選拔后，科學(xué)家們確定了可能與暗物質(zhì)粒子相互作用的三種粒子，它們分別是光子、希格斯玻色子和中微子。

第一種粒子是光子，和它相互作用的暗物質(zhì)粒子被稱為暗光子。就像光子會(huì)攜帶電磁輻射一樣，暗光子也會(huì)攜帶暗能量，并在第五種力的作用下和黑暗區(qū)域的其他粒子相互作用。而且暗光子似乎顯得非?！昂先骸保核梢院腿魏螏щ姾傻奈矬w相互作用，而且這些相互作用的強(qiáng)度還不小。

美國(guó)國(guó)家核物理研究所的研究人員在羅馬啟動(dòng)了一臺(tái)機(jī)器，試圖窺視這種神秘的暗光子。他們將一束正電子（或反電子）射向大約100微米厚的人造鉆石晶片，然后準(zhǔn)備觀察現(xiàn)象。因?yàn)檎娮优c普通物質(zhì)作用后會(huì)釋放帶能量的光子，如果能量監(jiān)測(cè)器發(fā)現(xiàn)釋放的能量偶爾低于正常水平時(shí)，那么有可能是產(chǎn)生了和光子不一樣的暗光子。

和研究人員在羅馬開(kāi)啟的監(jiān)測(cè)光子的機(jī)器不同的是，瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)監(jiān)視著另一種粒子——希格斯玻色子，也被稱為“上帝粒子”，被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源。

正如前文所說(shuō)，暗物質(zhì)給星系提供了質(zhì)量，所以暗物質(zhì)粒子肯定是帶有質(zhì)量的，而希格斯玻色子則以給其他粒子提供質(zhì)量而聞名。如果說(shuō)希格斯玻色子是宇宙唯一的質(zhì)量供應(yīng)商，那么暗物質(zhì)粒子一定是它的客戶，這意味著希格斯玻色子必定與暗物質(zhì)粒子有著某種密切的聯(lián)系。

為了找到希格斯玻色子和暗物質(zhì)粒子質(zhì)量“交易”的證據(jù)，科學(xué)家們必須學(xué)會(huì)如何“看到”看不見(jiàn)的東西。就像人類雖然看不到風(fēng)，卻能通過(guò)樹(shù)葉是否搖擺知道是否刮風(fēng)一樣，科學(xué)家們可以用類似的方法尋找暗物質(zhì)粒子。

事實(shí)上，由于希格斯玻色子在到達(dá)探測(cè)器之前就已經(jīng)解體，科學(xué)家們只能通過(guò)追蹤希格斯玻色子衰變產(chǎn)生的粒子，“還原”出希格斯玻色子。如此說(shuō)來(lái)，也只能通過(guò)觀察希格斯玻色子衰變后的粒子，來(lái)尋找可能的暗物質(zhì)粒子了。如果希格斯玻色子衰變成某些粒子的行為出現(xiàn)異常，這可能就意味著一些希格斯玻色子正在悄悄地轉(zhuǎn)變成暗希格斯玻色子，或者是與暗物質(zhì)粒子相互作用的另一種粒子。

第三個(gè)黑暗世界的“門戶”是已知粒子中最小、最輕，也是最不“合群”的中微子。它們幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，即便每天有幾十億個(gè)以接近光速運(yùn)動(dòng)著的中微子穿過(guò)你的身體，你也依然毫發(fā)無(wú)損。已知的三種中微子（電子中微子、μ中微子和τ中微子）在某種程度上能夠互相隨意轉(zhuǎn)化，它們的質(zhì)量更是輕得令人難以置信。

最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第四種更重的無(wú)菌中微子（也叫惰性中微子），它比其他三種中微子更難發(fā)現(xiàn)，并且具有暗物質(zhì)粒子的特征，暗物質(zhì)還能通過(guò)無(wú)菌中微子轉(zhuǎn)化為普通物質(zhì)。但和光子、希格斯玻色子不同的是，它還需要另一個(gè)粒子的參與，才能和暗物質(zhì)粒子相互作用。

“加入一個(gè)未知粒子讓事情變得更加復(fù)雜了?！笨茖W(xué)家說(shuō)，也許這解釋了為何科學(xué)家們更愿意相信，和光子以及希格斯玻色子對(duì)比起來(lái)，中微子和暗物質(zhì)的關(guān)聯(lián)并不大。

暗物質(zhì)的研究是如今最引人入勝的前沿研究領(lǐng)域之一，雖然我們不知道它是由什么構(gòu)成的，但我們已經(jīng)確定它是由某些不同于構(gòu)成質(zhì)子、中子和電子等普通物質(zhì)的粒子組成的。接下來(lái)，科學(xué)家們依然會(huì)繼續(xù)試著解讀暗物質(zhì)，直到打開(kāi)黑暗世界的大門，然后看一看宇宙黑暗而怪異的另一面。