「一起读科普杂志」物理学的“暗物质”

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我思考“暗物质”的问题已经很多年了。但直到最近，我才意识到人类关于暗物质的探索甚至已经深入到哲学层面。

今天，当我们研究恒星和星系的运动、来自遥远星系的光的弯曲，或者宇宙膨胀如何随时间改变的时候，都会遇到暗物质问题。在这些研究里，当我们根据观测到的天体运动来推测其原因时，总会发现有所出入一引力太多了。 即使把现有观测手段所能看见的一切物体加在一起，其质量也不足以产生如此大的引力。但如果我们假定存在某种未知的新物质(暗物质),它与普通物质(包括它自己)之间只有极微弱的相互作用，并且假定空间本身也拥有一定的密度(暗能量)，那么这些不一致就可以得到很好的解释。

这个包含了两个假定的解决方案似乎看上去有些孤注一掷。不过，去寻求一种理论推断出的“看不见”的物质，这可是有着光荣传统的。

19世纪时，天文学家对天王星轨道的精确理论计算与精密测量之间出现了偏差。1846年， 于尔班.勒威耶(Urbain Le Verrier)和约翰·库奇。亚当斯(John Couch Adams)提出，这个偏差也许是受到一颗未知行星的影响造成的。勒威耶甚至能够告诉观测者应该把望远镜对准什么地方。他真说对了———天文学家按着他说的位置进行观测，果然发现了海王星。

差不多同一时期，弗里德里希·贝塞尔(Friedrich Bessel)根据天狼星和南河三摇摆的运动轨迹推测,它们各自有一颗当时的天文望远镜看不到的伴星，直到十多年后，天文学家才开发出了足够强大的天文望远镜，观测到了这些伴星——它们属于体积与地球差不多但密度非常高的白矮星。

1930年，沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)猜测存在一种新的亚原子物质——中微子。在当时，由于探测不到，这其实也是种"暗物质”。 中微子可以解释放射性衰变时“丢失”的能量和动量。当时，连泡利自己都认为，提出“一种不可能被探测到的粒子”实在是个糟糕的假说。然而在1956年的时候，中微子被探测到了。今天，关于中微子的研究已经是实验物理的一个大课题。

其实在这些科学进展之前，牛顿早在1692年就提出了一个最深刻的暗物质问题。他写道:“一个物体可以不通过任何介质穿过真空对远处的另一个物体产生作用，这对我来说简直就是一个天大的谬论”，任何一个有思考能力的人都不会喜欢这个想法。对牛顿来说，空间不可能是空的，必然存在某种未知的物质，承载着两个物体之间的作用力。

几个世纪后，一个关于充满了整个空间的电磁“场”的理论横空出世，证实了牛顿的直觉。1864年， 苏格兰物理学家麦克斯韦提出了一组代表着这个崭新观点的方程，他无比兴奋地写道:“星际间的广袤空间将不再是造物主未作任何安排的不毛之地...它是如此充盈，没有任何人力可以······在它无限的连续性中产生些微的瑕疵。”

在爱因斯坦的广义相对论中，空间本身变成了更加实在的物质媒介。空间可以弯曲：按照广义相对论，这就是引力作用的本质。还有，正如2017年诺贝尔物理学奖所庆祝的，空间可以像钟一样“鸣响”——以引力波的方式回荡!如此看来，最近天文学家发现的空间密度不为零，也不像当初爱因斯坦认为的那样不合理。在高能加速器中把巨大的能量塞到极小的体积里，我们可以把空问砸碎，看它是由什么组成的。我们已经发现了大量的构成物质，但是它们以何种方式相互协调从而产生我们所观测到的密度仍然是未解之谜。

对于假想中的“暗物质”粒子究竟是什么，物理学家也有一些很有希望的设想。他们正在设计灵敏度高得不可思议的新仪器来观测它们。

无因之果促使我们用新的视角来审视这个世界，让那些“黑暗的幽灵”们变得清晰可见。

文章来源：《环球科学》2018.1


本文选自：今日头条