來感受一下暗物質(zhì)的引力

石無魚

由10億個(gè)傳感器組成的陣列能否探測(cè)到我們身邊的暗物質(zhì)？

預(yù)言暗物質(zhì)的存在，在近一個(gè)世紀(jì)前是轟動(dòng)科學(xué)界的一件大事，曾讓許多天文學(xué)家眉飛色舞。但是，最近幾年，他們?cè)絹碓街绷恕?/p>

他們?yōu)槭裁粗?？一句話，這關(guān)乎他們的信譽(yù)。

你瞧，我們本來確信自己活在一個(gè)陽光燦爛的世界里，可是有一天他們跑來信誓旦旦地告訴我們，在宇宙中還存在大量看不見、摸不著、感覺不到的東西，也就是他們所稱的暗物質(zhì)。而且據(jù)他們說，暗物質(zhì)是普通的可見物質(zhì)的5倍還多。這就好比有人來告訴你，這個(gè)世界其實(shí)由幽靈主宰，這里的幽靈比活人還多。這能不讓你心里一驚么？

既然有這么多的暗物質(zhì)，那他們好歹拿個(gè)出來給我們看看呀。這正是著急的所在，因?yàn)樗麄円呀?jīng)搜索了差不多半個(gè)世紀(jì)，迄今連一點(diǎn)影兒都沒找到。

既然沒找到，那就繼續(xù)吧。沒錯(cuò)，他們最近又有了一個(gè)新的點(diǎn)子：通過直接探測(cè)暗物質(zhì)的引力來揭示它們的存在。

暗物質(zhì)目前唯一確定的性質(zhì)

聽我這么一說，熟知暗物質(zhì)歷史的你一定會(huì)說：這算什么新點(diǎn)子！人盡皆知，暗物質(zhì)跟普通物質(zhì)只有引力作用，我們本來就只能通過引力來探測(cè)它們嘛！

這話自然沒錯(cuò)。不過，天文學(xué)家為什么先前沒想到“這一點(diǎn)”，個(gè)中的原委卻一言難盡。

暗物質(zhì)最早是出于天文學(xué)上的需要提出來的。因?yàn)樘煳膶W(xué)家發(fā)現(xiàn)，很多星系邊緣的恒星運(yùn)動(dòng)速度很快，可是奇怪的是，它們居然沒有逃離星系。

這話怎么說呢？我們知道，物體做圓周運(yùn)動(dòng)，需要向心力;速度越快，需要的向心力也越大。這些恒星運(yùn)動(dòng)那么快，需要的向心力一定很大。那么，是什么天體產(chǎn)生的引力，使它們沒能飛出去呢？

我們知道，引力大小跟兩個(gè)天體質(zhì)量的乘積成正比。能把星系邊緣的恒星控制住的，差不多是整個(gè)星系的質(zhì)量?？墒钱?dāng)天文學(xué)家根據(jù)星系中的發(fā)光天體加上盤踞中心的黑洞估算出該星系的質(zhì)量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，這點(diǎn)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠把邊緣的恒星控制住。這就迫使他們提出，星系中還存在大量不發(fā)光的物質(zhì)，正是這些物質(zhì)產(chǎn)生的引力，使這些星系邊緣的恒星不至于逃逸。這些物質(zhì)就是所謂的暗物質(zhì)。注意，這里所謂的“發(fā)光”，不僅指發(fā)可見光，也包括散發(fā)紫外線、無線電波等其他電磁波?？傊痪湓?，暗物質(zhì)不會(huì)發(fā)射電磁波。

電磁波是電磁作用的結(jié)果，所以這又意味著暗物質(zhì)之間以及它跟普通物質(zhì)之間，都沒有電磁作用，讓我們所有的望遠(yuǎn)鏡都鞭長(zhǎng)莫及。

在普通物質(zhì)中，強(qiáng)核力是為了克服電磁力而存在的。譬如，氧原子核由8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子組成。8個(gè)質(zhì)子都帶正電荷，距離又靠得非常近，如果沒有強(qiáng)核力把它們“捏”在一起，它們?cè)缇鸵蜢o電排斥各自逃散了。現(xiàn)在，暗物質(zhì)沒有電磁力作用，對(duì)于它，強(qiáng)核力似乎也失去了存在的理由。所以，一般認(rèn)為暗物質(zhì)之間以及暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間，也不存在強(qiáng)核力作用。至于弱核力是否存在，暫時(shí)還無法確定（下面你將會(huì)看到，我們以往探測(cè)暗物質(zhì)正是基于它們之間存在弱核力這一假設(shè)的）。

所以，我們對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)迄今唯一可以確定的是：它們之間以及它與普通物質(zhì)之間，存在引力作用。

以往是如何探測(cè)暗物質(zhì)的

說到這里，你也許會(huì)說：既然如此，那我們就去探測(cè)它的引力好了。可是說得輕巧，要知道，引力是一種極其微弱的作用力。

說引力是一種微弱的作用力，似乎可笑。從高樓上掉下一個(gè)花盆，可以把停在下面的小車砸穿。這不就是地球引力惹的禍嗎，怎么算微弱呢？

這當(dāng)然是事實(shí)，但強(qiáng)弱是相對(duì)而言的。前面說過，引力大小跟兩個(gè)天體質(zhì)量的乘積成正比，花盆質(zhì)量不大，可地球質(zhì)量大呀。如果引力大，那我們?nèi)伺c人就會(huì)碰在一起，車與車碰在一起，我們還怎么生活？所以幸虧引力小。在物理學(xué)家看來，讓兩個(gè)質(zhì)子保持在同樣的距離，那么它們之間的靜電力比它們之間的引力，要高出40個(gè)數(shù)量級(jí)。40個(gè)數(shù)量級(jí)是什么概念？就是1后面添加40個(gè)零！

引力的強(qiáng)度是如此微弱，所以要去探測(cè)我們身邊暗物質(zhì)的引力，幾乎不可能。它們的引力，也只能在星系量級(jí)的天體中，才能體現(xiàn)出來。

那么，以往人們是怎么探測(cè)的暗物質(zhì)的呢？這就要涉足粒子物理學(xué)了。

物理學(xué)上認(rèn)為，所有物質(zhì)都是由粒子組成的。暗物質(zhì)也不例外，因此應(yīng)該存在暗物質(zhì)粒子?？墒窃诹Ｗ游锢韺W(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，能滿足暗物質(zhì)性質(zhì)的，只有一種粒子，那就是中微子。中微子不帶電，所以沒有電磁作用。但中微子有質(zhì)量，所以必定受引力作用。中微子與普通物質(zhì)有弱核力作用，而前面提到，暗物質(zhì)并不排斥弱核力。

但遺憾的是，中微子質(zhì)量太輕，似乎難以擔(dān)當(dāng)暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的85%的重任。此外，它們跑得太快，太難管束，似乎難以把它們束縛在星系里。

這樣，人們就把希望寄托在大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）身上。WIMP是一種假想的粒子，是超對(duì)稱理論預(yù)言的。超對(duì)稱理論是一門很高深的理論，你只要知道它是目前粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展版就行了。

WIMP的質(zhì)量預(yù)計(jì)在質(zhì)子的50到幾千倍之間，并且它不僅通過引力，也通過弱核力與普通物質(zhì)作用。弱核力雖然稱“弱”，但其實(shí)比電磁力還強(qiáng)得多，這就為暗物質(zhì)提供了一種更容易探測(cè)的方法：當(dāng)暗物質(zhì)遇到普通物質(zhì)時(shí)，或許會(huì)像中微子一樣，發(fā)生弱核反應(yīng)，從而暴露其蹤跡。

然而令人沮喪的是，迄今30多年過去了，我們依然沒有發(fā)現(xiàn)WIMP。更要命的是，最近連預(yù)言WIMP的超對(duì)稱理論也岌岌可危了。因?yàn)槌瑢?duì)稱理論還預(yù)言了其他一些粒子，但歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)經(jīng)過一次次升級(jí)之后，能量已經(jīng)足夠高，按理應(yīng)該能碰撞出一部分這些粒子，但它依然一無所獲。所以，現(xiàn)在越來越多的懷疑目光落在了超對(duì)稱理論頭上。

暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的80%左右

通過引力探測(cè)暗物質(zhì)

在這種情況下，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的理論物理學(xué)家丹尼爾·卡尼和他的同事提出，我們應(yīng)該“重拾初心”：既然真正確定暗物質(zhì)性質(zhì)的事情只有一件，即它和普通物質(zhì)之間存在引力作用，那我們?yōu)楹尾恢苯尤ヌ綔y(cè)它的引力呢？

咦！前面不是說暗物質(zhì)的引力太弱了嗎？沒錯(cuò)，但時(shí)移勢(shì)易，今天我們最好的設(shè)備已經(jīng)能夠探測(cè)極其微小的力了，小到10-21牛頓！1牛頓大約相當(dāng)于一個(gè)蘋果的重量，而10-21牛頓大約是一條RNA的重量。這一精度甚至超越了探測(cè)引力波的激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）的能力。而你知道LIGO的精度有多高嗎？在從地球到太陽這么長(zhǎng)的距離內(nèi)，哪怕只發(fā)生一個(gè)質(zhì)子直徑那么小的距離變化，都能探測(cè)出來！

能敏銳地感覺極微小的力的傳感器有多種版本?？崴麄兦嗖A的是這樣一個(gè)版本：用幾束激光將一個(gè)直徑幾百納米的玻璃珠“夾”起來，在超高真空中保持微妙的平衡，并將其冷卻到接近絕對(duì)零度。當(dāng)它身邊有暗物質(zhì)飄過時(shí)，暗物質(zhì)對(duì)它的引力將會(huì)使其失去平衡。

當(dāng)然，一個(gè)暗物質(zhì)粒子的引力還是太小了，至少要一個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)塊。研究人員的計(jì)算表明，假如有一顆細(xì)鹽粒般大?。ㄙ|(zhì)量可以小到百萬分之一克）的暗物質(zhì)團(tuán)塊碰巧在距離玻璃珠不到一毫米的空間飛過，我們就能觀測(cè)到珠子的振動(dòng)。

LIGO的混凝土隧道中藏著迄今探測(cè)引力最敏感的裝置

這聽起來很簡(jiǎn)單，不過成為現(xiàn)實(shí)之前，仍有一些障礙需要跨越。首先，你如何排除周圍環(huán)境的干擾呢？比如說，電梯在實(shí)驗(yàn)大樓升降造成的地面震動(dòng)，你如何排除？

有一個(gè)變通的辦法。當(dāng)?shù)厍蚝驼麄€(gè)太陽系以每小時(shí)約80萬千米的速度圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，地球或許正穿過一片暗物質(zhì)的“叢林”?？岷退耐伦C明，如果你將許多傳感器安排在一個(gè)有規(guī)律的三維網(wǎng)格中，當(dāng)一個(gè)暗物質(zhì)團(tuán)塊穿過時(shí)，它們會(huì)以一種協(xié)調(diào)的方式振動(dòng)。請(qǐng)想象一下你穿過一片茂密的灌木叢的情景。當(dāng)你鉆進(jìn)灌木叢的時(shí)候，前方的灌木往兩邊倒，在你身后的則又迅速地合攏來。把你自己想象成暗物質(zhì)團(tuán)塊，把這些灌木想象成傳感器，那么傳感器陣列就以類似的方式協(xié)調(diào)振動(dòng)，而來自周圍環(huán)境的干擾產(chǎn)生的振動(dòng)是不會(huì)這么有規(guī)律的。

然而，問題就在這里。鑒于計(jì)算出的暗物質(zhì)的密度，在1立方米大小的空間需要布置100萬到10億個(gè)超敏感的傳感器，而目前，一個(gè)傳感器的成本大約是100萬美元。這真是一個(gè)燒錢的活，需要成本大幅度下降之后才可行。

所以，目前科學(xué)家們只是在做前期的準(zhǔn)備工作。譬如，卡尼和其他幾位科學(xué)家正通力合作，希望未來一年內(nèi)先建造由大約10個(gè)傳感器組成的一個(gè)簡(jiǎn)單陣列，為以后建造更大的陣列積累經(jīng)驗(yàn)。

拓展閱讀

用反物質(zhì)探測(cè)暗物質(zhì)

如果我們用普通物質(zhì)（如正文中的玻璃珠）探測(cè)不到暗物質(zhì)，我們還可以用反物質(zhì)試試運(yùn)氣。

我們知道反物質(zhì)是存在的，但關(guān)于反物質(zhì)，仍有一些謎團(tuán)未解。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型說，粒子和它的反粒子，除了電荷相反，其他性質(zhì)完全一樣;而且在大爆炸中，創(chuàng)造的物質(zhì)和反物質(zhì)是完全等量的。

可是如此一來，我們這個(gè)物質(zhì)占主導(dǎo)的宇宙的存在就成問題了。因?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)一接觸就湮滅，要是兩者等量，湮滅之后任何物質(zhì)都不會(huì)剩下。這個(gè)矛盾迫使一些物理學(xué)家猜測(cè)，粒子和它的反粒子很可能在性質(zhì)上有微小的差異。正是這點(diǎn)微小的差異，讓我們的宇宙幸存了下來。

鑒于粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型并未解釋暗物質(zhì)是什么，它與反物質(zhì)和物質(zhì)的相互作用可能也是不同的。如果它與反物質(zhì)有更多的相互作用，這不僅可以為反物質(zhì)之謎提供一個(gè)新的解釋，還可以提供一種探測(cè)暗物質(zhì)的辦法。