窥视宇宙未被发现的东西：暗物质和暗能量

伤我心太深

我们所能看到的只是实际存在中的极小一部分。科学家正试着寻找那些我们看不到的东西：暗物质和暗能量。过去人们常说，宇宙学家——就是那些将宇宙作为一个整体对其进行研究的科学家——“经常犯错却从不迷茫”。

现如今，他们犯的错少了，但他们的疑惑却与日俱增，几乎和我们这些外行一样茫然了。

经过10年的研究，运用最新最好的望远镜、探测器、计算机，宇宙学家现在已经可以确定，宇宙创生于138.3亿年以前，创生之初比一个原子还小。我们最初探测宇宙背景辐射的时候，微波辐射显示宇宙只有37.8万岁，相比于现在，这一测量的精度只有0.1%。

在推知宇宙年龄的同时，宇宙学家推断，所有他们能看到的恒星、星系，其实只占宇宙总质量的5%。那些隐匿的部分，27%是暗物质，68%是暗能量。二者都非常神秘。暗能量被认为是导致宇宙膨胀的原因，同时也构成宇宙大尺度特性——但是没人能说清楚它到底是什么。现在，暗能量一词被用来表示一切加快宇宙膨胀速率的物质，已经变成我们用以称呼“人类目前还不了解的宇宙大尺度特性的惯用标签”了。

宇宙学家认识到，他们的处境恰恰如同1804年托马斯·杰斐逊的处境。杰斐逊总统委派刘易斯和克拉克探索西部，临行前他曾提醒远征队要小心长毛猛犸象：杰斐逊总统以及与他同时代的人已经意识到，从密西西比河到太平洋沿岸的北美洲地域广大而重要，但对于那里究竟生活着什么——猛犸象？华南虎？甚或袋鼠——他们只有一个模糊的概念。



影子般的暗物质



最早的暗物质普遍存在的迹象，是瑞士天文学家弗里茨·兹威基在20世纪30年代发现的。当时他供职于南加利福尼亚州威尔逊山天文台，正在测量后发座星系团中星系的相对速度和平均速度，这一星系团距离地球3.21亿光年。动力学计算的结果显示，这个星系团应该早就从太空中消失了。然而事实是，后发座星系团已经存在几十亿年了。据他推断，这只能意味着，“宇宙中，暗物质的密度要远远大于可见物质的密度”。后续的研究表明，在宇宙的初创阶段，如果没有暗物质产生的引力将原始材料聚集在一起，星系永远都不可能创生。

暗物质并非比较不起眼的普通物质，这样解释远远不够。大量不可见物质，甚至排除黑洞、矮星、冷气体云以及被逐出出生之地的流浪行星这些暗淡的天体，它们的质量加起来也5倍于那些可见的普通物质质量的总和。因此科学家认为，暗物质肯定很奇异。理论物理学家在超对称量子物理领域所做的工作，已经魔法般地召唤出了许多种不可见物质，它们中的一种甚至几种，很有可能最终被证明就是暗物质。但是目前，各项实验的结果都不尽如人意，其中包括位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，其结果都否定了几个版本的对称性。理论学界的氛围，如同理论学家自己常说的那样，“一片灰暗”。相较于将其精确地定义为暗物质，大多数科学家往往更愿意称自己是在寻找弱相互作用大质量粒子（WIMP）。



WIMP不与普通物质相互作用，而是只在它们之间相互作用，这个猜想已经被在子弹星系团中找到的证据证实。该星系团最初是由两个原始星系团碰撞产生的，距地球30亿光年。在美国航空航天局钱德拉X射线天文台的帮助下，天文学家在子弹星系团中心发现了大量热气体，而热气体通常被认为是普通物质碰撞产生的。但当天文学家追踪子弹星系团的引力场时，他们却发现了两个更为巨大的质量中心，也就是碰撞产生子弹星系团的那两个原始星系团，进一步说，这便是碰撞的中心。由此他们得出结论，虽然那两个星系团的可见物质结构像两列装满军火的列车，壮烈地相撞并融合在了一起，但它们各自所载的暗物质货物，却没有参与这次惨烈的碰撞，也即没有损失。

即使正如有些科学家预测的那样，暗物质粒子普遍地存在，成千上万的暗物质时时刻刻充斥在我们每个人的身边。而且，目前运行着的暗物质探测器，其科技水平之精妙简直如同法贝热彩蛋的艺术工艺。但暗物质的超然状态，还是让想要切实捕捉到它的实验者受到空前挑战。



这些探测器中，有耗资20亿美元的反物质太空磁谱仪（AMS），它正在国际空间站中搜寻着星系中心暗物质粒子存在的证据。不过，大多数暗物质探测器在地球上探测暗物质粒子和普通粒子之间的相互作用。这些地球探测器被安置在地表以下极深处的地下实验室，以尽量减少来自宇宙的高速正常物质粒子的入侵，并且用冷却晶体、液态疝或氩作为屏蔽材料，包裹探测器以隔绝辐射。天然矿石地层也是很好的屏蔽材料。（铅矿石只有微量辐射，因此最近的两项实验都在铅矿中进行。一项在明尼苏达州的首丹铅矿，另一项在意大利的拉奎拉，那里有古罗马时代的铅矿遗迹。由于历史久远，铅矿石排放的辐射更少。）

美国的大型地下疝探测器（LUX）是同类探测器中最灵敏的一个，它被安置在南达科他州一处废弃的铅矿中，距地表近1500米。该探测器2013年开始运行，至今一无所获;目前正在以更高的灵敏度继续搜寻。迄今，虽然有的搜寻计划找到一些影子般的线索，但仍没能找到有关暗物质的确切证据。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机在经过一段时间的关机维修、升级后，于2015年按计划恢复运行，升级后的大型强子对撞机能量得到提升，或许能产生几个暗物质粒子。但这种奇特的物质难以估计，因为我们对它的了解实在太少。总之，这项任务不是懦夫能完成的。



比暗物质更神秘的暗能量



或许，与暗能量的神秘相比，暗物质之谜都会显得寡淡无味。物理学家史蒂文·温伯格称暗能量为“物理学的核心问题”，天文学家迈克尔·特纳认为它是“科学问题中最深奥、神秘的一个”。

1998年，两个独立研究的天文学家小组同时宣称，根据观测研究可以确知，宇宙膨胀正在不断加速中。随后，特纳最先提出“暗能量”这个名词。天文学家的上述结论，是通过观察一类特定的恒星的爆炸而得出的。这类爆炸，必须要足够亮，这样我们才能从地球上观测到它;此外亮度维持的时间也要相对较长，以便我们计算出该星系与地球间的距离。在星系中，引力扮演着刹车的作用，阻止宇宙膨胀。因为引力普遍存在，所以当时的天文学家认为宇宙膨胀的速度应该逐渐放缓。然而，他们发现恰恰相反：在过去的五六十亿年间，宇宙膨胀一直在不断加速。

今天，我们正在以空前的精度观测宇宙，暗能量到底在何时出现，这种能量在强度上将一直维持不变还是会逐渐加强，这些问题都要到目前的观测中去寻找答案。这种观测还有一个优点——能借此窥探过去：当我们研究一个距我们几十亿光年的星系时，我们看到的是它几十亿年前的样子。当然，这也要受到望远镜、数字探测器的性能的限制。要想写出更为精准的宇宙历史，依旧需要更好的设备。


天文学家期盼的新设备已经陆续出现了。比如在新墨西哥州阿帕奇天文台，重子振动分光镜勘测（BOSS）项目拥有一个直径2.5米的望远镜，将以前所未有的精度探测宇宙距离。此外，在智利安第斯山脉，暗能量巡天（DES）项目使用布兰科望远镜正在同时收集300多个星系的相关数据。欧空局的欧几里得太空望远镜，按计划将在2020年发射，计划精确测量过去100亿年间的宇宙动力学数据。我们对大口径综合巡天望远镜（LSST）项目的期望也很高，它目前正在智利中北部建设中，距布兰科望远镜只有几千米。它的主镜直径将达到8.4米，并配备有迄今最大的数码相机，发射运行后，它将不间断地对可观测宇宙进行全天拍摄，图像覆盖整个南天。每个月它将完成10余次这样的拍摄。


BOSS被誉为SDSS 的继承者，它将选择北半球天空中的一部分， 从银河系最厚的部分进行观测。



有了这些设备，宇宙学家希望能够重建宇宙的历史，通过直接测量宇宙膨胀速度，解释暗能量的出现及其影响。这个问题的重要性，可能不亚于对宇宙未来的研究。如果我们身处其中的宇宙，将在不断膨胀中逐渐被暗能量所主宰，大多数星系最终都将从彼此的视线中消失，那么未来的宇宙学家所能观测到的星系，将寥寥无几，只留下周边几个邻居和一片漆黑的宇宙。

在不远的将来，理解暗能量或许需要对我们以前所构想出的宇宙观念，进行根本性的改进。天体之间的空隙长久以来一直被认为是纯粹空虚的，虽然艾萨克·牛顿曾经说过，假如日地间的这段距离是完全空洞的，他无法想象地球居然能靠着引力绕太阳持续运行。



20世纪的量子场论，论证了空间并不“空”，而是充斥着量子场，量子场无处不在。常被描述成是构建物质的原料的质子、电子以及其他粒子，它们本身就是量子场的激发态。当场接近最低能级时，空间看起来虚空。但当场重新受到激发，空间中就重新充斥着可见物质及能量。数学家卢奇亚诺·波伊将空间比作阿尔卑斯山上一个池塘中的水：平静时我们看不见它，但一阵微风拂过水面，我们就会发现它确实存在。“空间并不虚空，”美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒曾经说，“这就是物理学最精彩也是最令人惊讶的地方。”


宇宙是如何膨胀的？为什么膨胀貌似越来越快？在过去的一个世纪里，物理学家对这些问题的理解主要依赖于爱因斯坦的广义相对论。广义相对论具有极强的解释力，但在微观层面上它失灵了。微观世界受量子场论支配，人们也往往认为，宇宙加速膨胀的根本原因，能从量子场论中找到答案。或许，我们需要一种新理论来解释暗能量：空间和引力领域的量子理论。

目前，科学家面临的尴尬是，他们并不知道空间中包含多少能量，无论是暗能量或是其他什么。量子理论家尝试计算1升看似虚空的空间中包含有多少能量，得出一个很大的数字，而天文学家根据暗能量观测得出的数字要小得多。这两个结果间的差距大得惊人：10121——数字1后跟着121个0，这一数字甚至超过了我们观测到的恒星的数量，以及地球上的沙粒的数量。这是整个科学史上，理论与观测间出现过的最大的差值。显然，还有某些东西对空间非常重要，但我们还没找到它。因此，对空间中的一切物质，包括星系、恒星、行星甚至是人类自身，都要进行更深入的了解。

不过，这个难解的谜题已经向我们敞开发现的大门了。从某种程度上讲，爱因斯坦的广义相对论是在解决水星轨道的计算与探测间的微小差异的过程中提出的，量子物理学在某种意义上说起源于对热辐射传播方式的解密。那么，在解决我们今天面临的有关暗物质和暗能量的困惑的过程中，人类又将学到些什么呢？正如物理学家尼尔斯·玻尔所说：“没有矛盾，就没有进步。”