尋找暗物質(zhì)之旅

想象一下，你站在漆黑的森林里，手中手電筒的光束照亮了一小片區(qū)域：有幾棵高大的樹木、一些低矮的灌木，或許還有幾只在夜間活動(dòng)的小動(dòng)物。但你知道，在周圍看不見的黑暗中還隱藏著更多東西。其實(shí)，這個(gè)場(chǎng)景也是人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。

本期TED大會(huì)邀請(qǐng)美國(guó)理論物理學(xué)家、粒子物理學(xué)家昌達(dá)·普雷斯科德-溫斯坦（Chanda Prescod-Weinstein），為大家講述宇宙中的暗物質(zhì)。

宇宙的深處

宇宙中的所有可見物都由一系列基本粒子組成，人們對(duì)它們進(jìn)行了命名，并繪制出了標(biāo)準(zhǔn)模型。雖然這個(gè)模型非常精美，但現(xiàn)在科學(xué)家確信，它所描述的不過是宇宙物質(zhì)的一小部分。因?yàn)橛钪嬷械目梢娢镔|(zhì)——如我們?nèi)祟惐旧怼⒑阈呛托行瞧鋵?shí)只是宇宙物質(zhì)中的“異類”，而塞滿宇宙的大部分物質(zhì)，例如暗能量和暗物質(zhì)，它們并不發(fā)光，也不發(fā)射電磁波，從來沒有被直接“看”到過。

暗物質(zhì)最初被提出來時(shí)，并沒有得到學(xué)界的認(rèn)可，但隨著天文觀測(cè)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的增加和完善，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中那些恒星、星系的運(yùn)動(dòng)確實(shí)受到了一些不可見物質(zhì)引力作用的影響。時(shí)至今日，我們依然沒有觀測(cè)到暗物質(zhì)，它就像一個(gè)隱形人，穿著一套完整的衣服，站在那里，我們看不見它，但因?yàn)橐挛锍尸F(xiàn)的輪廓，我們相信它的存在。

嶄新的思考

目前，科學(xué)家認(rèn)為不可見物質(zhì)約占宇宙的95%，其中，暗能量驅(qū)動(dòng)著宇宙空間的膨脹，暗物質(zhì)則主要聚集在星系的外圍，具有顯著的引力效應(yīng)，從邊緣影響星體的運(yùn)動(dòng)和星系在時(shí)空上的分布。

我們雖然已經(jīng)了解宇宙中的暗物質(zhì)有多少、如何分布，卻依然不知道它到底是什么樣的粒子。這些年，科學(xué)家正在不斷嘗試新的假設(shè)，試圖攻克這個(gè)看不見、摸不著的難題。

新的設(shè)備正在為我們助力。例如薇拉·魯賓天文臺(tái)（Vera C.Rubin Observatory）中的望遠(yuǎn)鏡，可能會(huì)在2年內(nèi)觀測(cè)到宇宙誕生的第一束光。覆蓋電磁波譜各頻段的望遠(yuǎn)鏡，會(huì)讓我們有機(jī)會(huì)確定暗物質(zhì)到底是什么。

科學(xué)家也在嘗試用宏觀視角來看待微觀物質(zhì)。舉個(gè)例子，基本粒子分為費(fèi)米子和玻色子兩大類。費(fèi)米子很討厭“社交”，在低溫條件下，它們依然會(huì)相互保持距離；而玻色子則會(huì)在冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)擠在一起，形成一團(tuán)大粒子，我們稱之為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

通常，我們會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里利用原子創(chuàng)造這些量子態(tài)，但是現(xiàn)在，我們已經(jīng)開始嘗試模擬宇宙中暗物質(zhì)的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

人類正身處暗物質(zhì)研究的絕佳時(shí)期，在接下來的10年里，在更新型的望遠(yuǎn)鏡、更精密的粒子探測(cè)器、更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)模擬的幫助下，我們會(huì)以前所未有的精度和清晰度觀看宇宙。探測(cè)暗物質(zhì)不僅為了滿足我們的好奇心，它還能夠推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新、促進(jìn)國(guó)際合作、激勵(lì)下一代科學(xué)家的成長(zhǎng)。

我們也許會(huì)得到一些答案，但也會(huì)有更多新問題，正是宇宙的未知激勵(lì)著人們不斷探索。未來的科學(xué)家是今天的年輕人，保持你們對(duì)宇宙的關(guān)注，或許在踏上尋找暗物質(zhì)的旅程后，你們會(huì)揭示出更多令人驚嘆的宇宙秘密。

（責(zé)任編輯 / 牛一名 美術(shù)編輯 / 徐博宇）