前往宇宙黑暗另一面

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

無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，又摸得著。但如果把所有看得見又摸得著的物質(zhì)相加起來，也只占據(jù)了宇宙大約5%的組成部分。相比之下，看不見也摸不著的暗物質(zhì)，對宇宙來說可能更加重要，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，我們對暗物質(zhì)的所有了解都不是通過直接觀察得來的。暗物質(zhì)的提出是由于科學(xué)家們在觀測夜空時(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)家們在面對這種詭異現(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)：沒有電磁作用;只通過弱力和引力產(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，否則無法產(chǎn)生可以拉住外圍恒星的引力;一般來說，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）。我們可以通過觀察光線是否彎曲，來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的弱相互作用大質(zhì)量粒子數(shù)量，恰好相當(dāng)于觀測結(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，那么通過探測器也可以探測到它與普通物質(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性，讓W(xué)IMP在科學(xué)界廣受青睞。但近年來，一些奇怪的觀測結(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)測的更加均勻，現(xiàn)今的理論也無法解釋這一結(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)今沒有一種自然力量能夠解釋它。

這些奇怪的觀測結(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，這些粒子都通過一種宇宙中沒有任何東西能感覺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)世界被成功開啟。

而且在他們看來，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常“合群”：它可以和任何帶電荷的物體相互作用，而且這些相互作用的強(qiáng)度還不小。

美國國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啟的監(jiān)測光子的機(jī)器不同的是，瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對撞機(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，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”看不見的東西。就像人類雖然看不到風(fēng)，卻能通過樹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)探測器之前就已經(jīng)解體，科學(xué)家們只能通過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。如此說來，也只能通過觀察希格斯玻色子衰變后的粒子，來尋找可能的暗物質(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)著的中微子穿過你的身體，你也依然毫發(fā)無損。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)還能通過無菌中微子轉(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。”科學(xué)家說，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比起來，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，科學(xué)家們依然會(huì)繼續(xù)試著解讀暗物質(zhì)，直到打開黑暗世界的大門，然后看一看宇宙黑暗而怪異的另一面。