花10分鐘了解暗物質(zhì)

謝懿

為什么認為存在暗物質(zhì)？

直到20世紀30年才有第一個線索表明，宇宙中的一切并非都能被看見。瑞士裔美國天文學家弗里茨·茲威基當時對一個星系團進行了觀測，測量了其中每個星系的運動速度。令他驚訝的是，他發(fā)現(xiàn)這些星系的運動速度遠遠超出了預(yù)期。事實上，以它們的運動速度之高，這個星系團會很快瓦解，但現(xiàn)實并非如此。于是，茲威基推測，在這個星系團中必定還存在更多的物質(zhì)，所有物質(zhì)的引力維系住了這些星系。他估計，這些額外物質(zhì)的質(zhì)量是可見物質(zhì)的400倍以上。在尚不清楚這些神秘物質(zhì)到底是什么的時候，他直接把它們稱為“dunklematerie”（德語，意為暗物質(zhì)）。

大約在同一時間，荷蘭天文學家揚·奧爾特也發(fā)現(xiàn)了類似的東西。他所觀測的，是在銀河系邊緣附近運動的恒星。他以為會看到距離銀河系中心越遠，恒星繞轉(zhuǎn)的速度越慢的情形。這種想法和太陽系的情況無異：距離太陽越遠，行星的軌道周期就越長。但奧爾特看到的并非如此，外圍恒星的運動速度超出了預(yù)期。為了解釋這個奇怪的情形，奧爾特提出了銀河系內(nèi)存在不可見的物質(zhì)，它們的引力維系住了這些恒星的觀點。1980年，美國天文學家維拉·魯賓在百余個其他星系中也觀測到了相同的現(xiàn)象。無論這些不可見的物質(zhì)是什么，它們一定非常普遍。

美國天文學家弗里茨·茲威基

如今，被稱為引力透鏡的效應(yīng)為暗物質(zhì)提供了更多的證據(jù)。如果有一大團物質(zhì)，例如星系團，恰好位于一個遙遠光源的前方，那么前景天體就能彎曲從其附近經(jīng)過的背景光，由此產(chǎn)生一系列光弧，把這些弧線連接起來就會形成一個愛因斯坦環(huán)。質(zhì)量越大，它對光線的彎曲越大。然而，在星系團中沒有足夠的可見物質(zhì)能產(chǎn)生我們觀測到的彎曲，那里必定隱藏著不可見的額外質(zhì)量。

美國天文學家維拉·魯賓

荷蘭天文學家揚·奧爾特

暗物質(zhì)是什么？

物理學家用粒子物理學的標準模型來描述宇宙。通過這一模型，可以解釋力的作用以及粒子間的相互作用。包括歐洲核子研究中心的大型強子對撞機在內(nèi)，標準模型已經(jīng)多次被實驗證實。最近發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子更是充分地證明了這一點。

然而，標準模型無法解釋觀測到的暗物質(zhì)行為。為了隱藏起來不被發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)不能與光發(fā)生相互作用，只能與普通物質(zhì)之間存在引力作用。為了解釋這一現(xiàn)象，物理學家引入了一種新的粒子：弱相互作用大質(zhì)量粒子。由于不與光相互作用，因此它們是“弱相互作用”;由于具有強引力，因此它們是“大質(zhì)量”。

當天文學家運行以弱相互作用大質(zhì)量粒子為暗物質(zhì)模型的計算機模擬，得到了一個與我們今天所見星系分布極為吻合的宇宙結(jié)構(gòu)。有一個超越標準模型的物理學理論似乎也與這一圖像相容，這個理論被稱為超對稱。

過去還考慮過其他的解釋，例如暈族大質(zhì)量致密天體。它們是隱藏在銀河系中的不可見的大質(zhì)量天體，例如黑洞。當我們把所有的質(zhì)量都加起來的時候，并沒有把它們包括在內(nèi)，因此低估了銀河系的質(zhì)量。然而，對早期宇宙的觀測和建模嚴重地質(zhì)疑了這個觀點。目前，弱相互作用大質(zhì)量粒子是暗物質(zhì)候選者的首選。

如何發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)？

要怎么才能找到不可見的某樣東西呢？當然，你是看不到它的。更糟糕的是，弱相互作用大質(zhì)量粒子如同幽靈，幾乎總是能不留痕跡地穿過普通物質(zhì)，這也包括了用來探測它的所有實驗裝置。從另一個角度來看，暗物質(zhì)粒子的數(shù)量極其豐富，每秒都有數(shù)十億個暗物質(zhì)粒子暢通無阻地穿過你的身體。不過，平均來說，每過5分鐘，在這些暗物質(zhì)粒子中才會有一個粒子與構(gòu)成你身體的原子發(fā)生相互作用。

暗物質(zhì)粒子會偶爾與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用的這一觀點是大型地下氙探測器（LUX）的理論基礎(chǔ)，它位于美國南達科他州的地下深處?？茖W家利用一個位于地下1.6千米處的被廢棄的金礦，在里面建造了這個暗物質(zhì)探測器。這個探測器包含370千克的液態(tài)氙，并使用264979升水做屏蔽，被設(shè)計來探測弱相互作用大質(zhì)量粒子與氙的相互作用。如果一個弱相互作用大質(zhì)量粒子與氙原子發(fā)生碰撞，這個氙原子就會在液態(tài)氙中加速并產(chǎn)生一道閃光，周圍大量非常靈敏的攝像機就會捕捉到它。

當暗物質(zhì)粒子與自身發(fā)生相互作用——被稱為湮滅——時，被認為會產(chǎn)生大量的次級普通物質(zhì)粒子，進而可以捕捉到它們。國際空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS-02）目前正在從事這一工作，試圖尋找銀河系中心處弱相互作用大質(zhì)量粒子湮滅產(chǎn)生的粒子。

太陽也能幫助探測暗物質(zhì)。作為太陽系中最大的天體，太陽像一個巨大的宇宙吸塵器，在繞銀河系中心轉(zhuǎn)動的過程中“吸入”沿途的暗物質(zhì)粒子。這些暗物質(zhì)粒子中的一些會在太陽內(nèi)部發(fā)生湮滅，產(chǎn)生普通物質(zhì)粒子流。不幸的是，太陽的密度非常高，幾乎所有這些粒子都會被困在里面。不過，有一種粒子——中微子——可以飛出來，抵達地球。位于南極的冰立方中微子天文臺就是建造來探測這些信號的。

再有就是大型強子對撞機。在停機2年進行升級之后，2015年5月5日這一實驗開始重啟。科學家希望，通過較以往都更高的能量讓粒子間發(fā)生碰撞，大自然也許會向我們展現(xiàn)出更多其內(nèi)在運轉(zhuǎn)機制的秘密，甚至一睹超對稱的證據(jù)。這是一個超越了標準模型的理論，包含可以解釋暗物質(zhì)的弱相互作用大質(zhì)量粒子。重要的是，如果大型強子對撞機仍然沒有發(fā)現(xiàn)超對稱理論的任何證據(jù)，那么它就有可能打響尋找宇宙中這些“丟失”物質(zhì)的另一解釋的第一槍。

暗物質(zhì)有可能是其他東西嗎？

到目前為止，我們一直假定暗物質(zhì)是有形的，是某種確實存在的實體。但如果并非如此呢？它會不會是我們對引力的認識有誤而產(chǎn)生的幻象呢？這正是修改牛頓動力學（MOND）理論的倡導者所支持的。

還記得嗎？最初引入暗物質(zhì)的原因之一就是要解釋銀河系中恒星的運動速度不隨到銀心的距離增加而減小。但是，假如引力在小尺度（如太陽系）上和大尺度（如星系）上有不同的規(guī)律，那會怎么樣？雖然牛頓萬有引力定律可以讓我們把人送到月球，或者把航天器送往其他行星，但這一適用于太陽系的規(guī)律也許并不適用于銀河系中的恒星。

這個想法最先由以色列物理學家莫爾德艾·米爾格龍于1983年提出。他認為，在加速度較小的地方，例如旋渦星系的邊緣，引力的強度可能會比牛頓引力定律所預(yù)言的更強。這個理論可以幫助解釋一些星系運轉(zhuǎn)的方式，而這卻是暗物質(zhì)理論所不能解釋的。不過，目前還沒有充分的理由去懷疑引力在不同的尺度上會有不同的行為，因為修改牛頓動力學在解釋星系團上存在困難。另外，牛頓萬有引力定律已不再是現(xiàn)今最好的引力理論，這一殊榮屬于愛因斯坦的廣義相對論。修改牛頓動力學還有待被納入相對論的架構(gòu)之下。

暗物質(zhì)與暗能量有什么關(guān)系？

驅(qū)動宇宙加速膨脹的某種實體被稱為暗能量，它實質(zhì)上是一種反引力。與此相反，暗物質(zhì)則會產(chǎn)生引力，有助于維系星系和星系團，使它們免于解體。事實上，它們都反映了我們對大自然本質(zhì)的無知，因此只能從字面上稱其為“暗”。

你可以認為宇宙的歷史其實就是這兩者之間的一場拉鋸戰(zhàn)。在宇宙年輕的時候，星系間相互靠近，暗物質(zhì)占據(jù)主導，使得宇宙膨脹速度減慢。然而，隨著宇宙逐漸變化，星系間的距離增大，暗物質(zhì)在最大尺度上的引力開始減弱?，F(xiàn)在，暗能量已贏得了戰(zhàn)斗，正在加速宇宙的膨脹。

那么，宇宙中有多少暗物質(zhì)呢？暗物質(zhì)的總量遠遠超過構(gòu)成你我、行星和恒星的普通物質(zhì)。銀河系質(zhì)量的約90%是暗物質(zhì)，普通物質(zhì)——也被稱為重子物質(zhì)——只占10%。在整個宇宙的物質(zhì)組成中，85%為暗物質(zhì)，重子只占15%。

不過，有一件事情要小心，那就是要區(qū)分宇宙中的暗物質(zhì)和不發(fā)光物質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦著名的公式E=mc2，質(zhì)量和能量是同一枚硬幣的兩個面。因此，宇宙學家經(jīng)常會說宇宙的質(zhì)能，也就是把所有的質(zhì)量和能量都放在一起考慮。從這個意義上講，宇宙質(zhì)能的68%是暗能量，27%是暗物質(zhì)，原子只占5%。

搜尋暗物質(zhì)會給我們帶來什么？

和所有的科學研究一樣，在最初的階段往往很難預(yù)測實際應(yīng)用。然而，許多技術(shù)常常會滲透到我們的日常生活中。以歐洲核子研究中心為例，它建立了第一個網(wǎng)頁info.cern.ch。這一技術(shù)當初是設(shè)計用于該中心內(nèi)部計算機之間進行通信的。搜尋暗物質(zhì)有可能給我們帶來的一項副產(chǎn)品是更好的數(shù)碼相機。目前，天文學家正在智利的沙漠中建造大口徑綜合巡天望遠鏡，配備有世界上最大的3200百萬像素的照相機，能夠勘測出宇宙的結(jié)構(gòu)，進而檢驗暗物質(zhì)理論。到2021年，它就會開始掃視天空。通過制造如此巨大的相機，這些新技術(shù)最終會惠及商業(yè)攝影和醫(yī)療影像市場。