宙
2014年7月8日
“它”構(gòu)成了宇宙中絕大多數(shù)的物質(zhì),但是我們對(duì)“它”一無(wú)所知。正如馬庫(kù)思·喬恩(Marcus Chown)所說(shuō),現(xiàn)在暗物質(zhì)的藏身之處可能就在我們的眼皮子底下。
美國(guó)天文學(xué)家卡爾·薩根(Carl Sagan)曾經(jīng)說(shuō)過(guò),比起科幻小說(shuō)他更喜歡真正的科學(xué),因?yàn)榭茖W(xué)更加神秘莫測(cè)。好吧,聽(tīng)聽(tīng)這個(gè)科學(xué)假說(shuō):宇宙中存在著和我們的銀河系占據(jù)同樣空間大小的另一個(gè)星系,它之所以沒(méi)被發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槲覀冊(cè)谕h(yuǎn)鏡里是看不見(jiàn)它的,這個(gè)星系里甚至還可能有看不見(jiàn)的恒星、行星和看不見(jiàn)的生命。
隱藏的暗物質(zhì)世界是不是可能就在我們的眼皮子底下?
關(guān)于“影子”銀河系的想法可能聽(tīng)起來(lái)瘋狂,但是這是美國(guó)物理學(xué)家們的一個(gè)嚴(yán)肅的假設(shè),試圖搞清楚我們宇宙中的看不見(jiàn)的,即“暗”物質(zhì)。“我們認(rèn)為這一問(wèn)題很值得探索,因?yàn)樗瓤梢越忉屢恍┝钊瞬唤獾默F(xiàn)象又可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。”馬修·麥卡洛說(shuō),他來(lái)自波士頓附近的麻省理工大學(xué)理論物理中心。
我們一直通過(guò)假設(shè)暗物質(zhì)的存在來(lái)解釋一些令人困惑的天文現(xiàn)象,其中之一是位于螺旋星云邊緣地區(qū)的恒星沿軌道運(yùn)行過(guò)快。就像坐在加速的轉(zhuǎn)椅上的孩子,他們本該飛入星際空間,但卻沒(méi)有,天文學(xué)家給的解釋是:多虧了那不會(huì)發(fā)出可探測(cè)光的大量物質(zhì)(暗物質(zhì))產(chǎn)生出的引力控制。
接下來(lái)你要讀到的就是第二個(gè)要用暗物質(zhì)來(lái)解釋的現(xiàn)象——對(duì)宇宙背景輻射現(xiàn)象,即宇宙大爆炸火球的“余暉”的觀察表明,物質(zhì)最初在空間里傳播非常均勻,然而,宇宙中也會(huì)有相對(duì)而言密度較大的地方,這些區(qū)域引力比之周圍區(qū)域更大,能把物質(zhì)更快地拉進(jìn)去,密度也因此變得愈加大。但是這一過(guò)程仍然太慢,在宇宙形成的13.8億年時(shí)間內(nèi),不足以成像銀河系那樣大小的星系。為了解釋我們銀河系的存在,我們就很有必要假定有大量的暗物質(zhì)存在,因?yàn)橛邪滴镔|(zhì)額外的引力可以極大地加快星系形成的進(jìn)程。
暗物質(zhì)理論
暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)能的26.8%,比重超過(guò)正常物質(zhì)——形成你、我和其他一切東西的原子(4.9%)——的五倍。問(wèn)題是:暗物質(zhì)究竟是什么?各種各樣的意見(jiàn)都有,從宇宙大爆炸時(shí)留下的電冰箱大小的黑洞到自未來(lái)飛回的“時(shí)光之箭”,但是最流行的說(shuō)法是說(shuō)暗物質(zhì)是由一種迄今尚未發(fā)現(xiàn)的亞原子微粒組成的。
暗物質(zhì)有很多的“候選者”——例如軸子,它可以解決自然的“強(qiáng)大”力量和大質(zhì)量弱相互作用粒子之間的問(wèn)題。大質(zhì)量弱相互作用粒子是由理論預(yù)測(cè)出來(lái)的,例如其中的超對(duì)稱理論就試圖表明一種自然基本粒子——費(fèi)密子——無(wú)非就是另一種粒子玻色子的反面而已。這些粒子是假借已知的亞原子粒子中的“超對(duì)稱粒子”為幌子。最輕的穩(wěn)定超對(duì)稱粒子——中輕微子,是最流行的暗物質(zhì)“候選者”。
但是仍然有一個(gè)問(wèn)題。在日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)目前為止還沒(méi)有通過(guò)其高能量碰撞造出中輕微子或任何暗物質(zhì)粒子?!暗?015年,一旦加速裝置重新以更高的碰撞能量運(yùn)行,就有可能出現(xiàn)這樣的粒子,”麥卡洛說(shuō),“但是如果做不到呢?”
這使得一些物理學(xué)家考慮我們的暗物質(zhì)模型是否需要稍加改進(jìn)?!拔覀?nèi)粘I畹氖澜缡菑?fù)雜的,不是由單一的樂(lè)高磚粒子構(gòu)成的,而是由眾多的粒子構(gòu)成,”麥卡洛說(shuō),“如果暗物質(zhì)也是這樣那怎么辦呢?”
現(xiàn)在是創(chuàng)造新的暗物質(zhì)理論的時(shí)候了嗎?(圖:hdwallpapers.in)
麥卡洛一直與哈佛大學(xué)的麗薩·藍(lán)道爾(Lisa Randall)一起工作,她是《彎曲的旅行:揭開(kāi)隱藏著的宇宙維度之謎》一書(shū)的作者,也是哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的第一位享有終生職位的女理論物理學(xué)家。她和同事提出一種物質(zhì)的新形式,可使物質(zhì)在回避正常物質(zhì)時(shí)還可以與自身相互作用,因此,我們不知道它就在那兒。
最重要的是,這種能自己相互作用的暗物質(zhì)與傳統(tǒng)暗物質(zhì)表現(xiàn)非常不同。我們相信銀河系是由暗物質(zhì)混合著一點(diǎn)點(diǎn)正常的物質(zhì)組成的巨大旋轉(zhuǎn)球體云所形成的。正常物質(zhì)在重力的作用下開(kāi)始縮小,由于赤道上有外在的離心力來(lái)反抗重力,所以在兩極物質(zhì)縮小速度比在赤道的要快,結(jié)果是形成一片極薄的平整星系盤(pán)后分裂成星星。這僅僅只是一種可能,因?yàn)檎N镔|(zhì)可以電磁波或光的形式來(lái)散發(fā)熱量——散發(fā)出來(lái)的熱量可以防止云體在重力的作用下收縮。然而,關(guān)鍵在于暗物質(zhì)無(wú)法發(fā)出光,也就不會(huì)失去能量而收縮為一片圓盤(pán),暗物質(zhì)仍然存在于球體云之中。這就導(dǎo)致了現(xiàn)在的情形:我們的銀河系是包裹在暗物質(zhì)球體云中的一塊扁平的旋轉(zhuǎn)恒星星系盤(pán)。
但是藍(lán)道爾和同事說(shuō)他們?cè)O(shè)想的那種暗物質(zhì)可以通過(guò)一種類似我們的電磁力的力來(lái)與自身相互作用。所以,暗物質(zhì)就可能因發(fā)出暗電磁波,或“暗光”,而失去能量?!半S后,暗物質(zhì)可以像正常物質(zhì)一樣坍塌成為一塊薄薄的圓盤(pán),”她說(shuō),“我們稱之為雙盤(pán)暗物質(zhì)?!?div style="height:15px;">
藍(lán)道爾沒(méi)有提及所有的暗物質(zhì)。一個(gè)球體云清楚地展示銀河系中恒星按軌道運(yùn)行的速度,所以暗物質(zhì)中最大的一部分肯定仍然在這里。但是一些暗物質(zhì)——相比可能存在于可見(jiàn)恒星系盤(pán)里的大量的暗物質(zhì)而言——是可能存在于扁平星系盤(pán)里的。
雙盤(pán)的概念或許可以解釋一些反?,F(xiàn)象。例如,美國(guó)航天局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn),有一千三百億伏特能源的伽馬射線從銀河系的中心散發(fā)出來(lái)。這可能可以來(lái)解釋是否這里存在有一千三百億伏特暗物質(zhì)——這大約是同等質(zhì)量的質(zhì)子的130倍。那些伽馬射線可能是這些暗物質(zhì)粒子和它們的反粒子湮滅后的產(chǎn)物。
美國(guó)航天局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)伽馬射線,可為麗薩·藍(lán)道爾的新理論提供證據(jù)支持(圖:美國(guó)航天局)
暗物質(zhì)是在圓形“光暈”中分散存在的,其粒子不能產(chǎn)生足夠高的密度以解釋這種伽馬射線的特征。但,“一旦有雙盤(pán),暗物質(zhì)的新成分密度就更大,也就更容易發(fā)現(xiàn)其他粒子并與之一起湮滅。”藍(lán)道爾說(shuō)。
探知暗物質(zhì)
現(xiàn)在,有很多實(shí)驗(yàn)正嘗試著探知飛越地球的暗物質(zhì)。因?yàn)榘滴镔|(zhì)不和正常物質(zhì)相互作用,科學(xué)家們使用多種多樣的原子核——從硅原子到氙原子,從氟原子到碘原子——希望某天突然“看見(jiàn)”一次被暗物質(zhì)粒子擊中的核反沖。
盡管太陽(yáng)是以相對(duì)于暗物質(zhì)暈220千米/每小時(shí)的速度繞銀河系中心運(yùn)行,但大部分的實(shí)驗(yàn)都一無(wú)所獲?!暗诙€(gè)盤(pán)是可以隨著可見(jiàn)星系旋轉(zhuǎn)的,如果有一些暗物質(zhì)是在這個(gè)盤(pán)里,那這就是我們所希望看到的局面了,”麥卡洛說(shuō),“暗物質(zhì)圓盤(pán)和正常物質(zhì)圓盤(pán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將會(huì)為零,所以暗物質(zhì)碰撞上探測(cè)器的動(dòng)作是如此輕以至于難以被發(fā)現(xiàn)。”
LUX探測(cè)器到目前為止還未成功找到暗物質(zhì)粒子(圖:馬特·卡普斯特)
然而,還有一種結(jié)果也可以讓我們擺脫對(duì)雙盤(pán)的需要。當(dāng)LUX(大型地下氙氣)實(shí)驗(yàn)在南達(dá)科塔的舊金礦井里一無(wú)所獲時(shí),CDMS(低溫暗物質(zhì)搜尋)實(shí)驗(yàn)在位于明尼蘇達(dá)州的蘇丹礦井里有三處發(fā)現(xiàn),能量都在8到12千電子伏。
這是如何形成的?麥卡洛和藍(lán)道爾說(shuō)在另一個(gè)版本的故事里圓的可能被說(shuō)成方的。想象處于高能狀態(tài)下的一個(gè)暗物質(zhì)粒子,在CDMS過(guò)程中若它與一個(gè)硅核相撞,它便會(huì)失去能量,導(dǎo)致核反沖。然而,在LUX實(shí)驗(yàn)里,要用相撞過(guò)程中無(wú)法控制的能量形成這樣一個(gè)反沖明顯不夠。
明尼蘇達(dá)州的低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃(圖:費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室)
批評(píng)者可能會(huì)說(shuō),暗物質(zhì)不能解釋我們看到的現(xiàn)象,藍(lán)道爾和她的同事也只是在加上些花里胡哨的裝飾而已。他們可能會(huì)說(shuō)這只是希臘人的回憶錄(希臘人發(fā)現(xiàn)他們的行星按圓形軌道運(yùn)行的理論與數(shù)據(jù)相悖,就在圓形軌道里再加上圓形軌道,或者說(shuō)“本輪”,直到它與數(shù)據(jù)相符。)
“我認(rèn)為這比加本輪的做法更糟糕,”來(lái)自以色列雷霍沃特地區(qū)雷茲曼研究所的莫爾德·米爾格龍說(shuō),“加入本輪僅僅是為了好玩?!泵谞柛颀埵切拚nD引力理論思想(MOND)的創(chuàng)始人,MOND主張恒星在螺旋星云中的異常軌道運(yùn)動(dòng)不是由于大量看不到的暗物質(zhì)所產(chǎn)生的引力,而是由于引力比牛頓曾預(yù)言過(guò)的更加強(qiáng)大。
藍(lán)道爾聳聳肩,表示不介意這些批評(píng)?!盀榱肆私獍滴镔|(zhì)是否和普通物質(zhì)一樣有著更豐富的結(jié)構(gòu),我們又前進(jìn)一步,”她說(shuō),“我們正在對(duì)其中一些暗物質(zhì)的相互作用做合理假設(shè)?!?div style="height:15px;">
麥卡洛承認(rèn)雙盤(pán)暗物質(zhì)的想法不能滿足奧萊姆的剃須刀原理(奧萊姆的剃須刀(Occam’s razor):由14世紀(jì)邏輯學(xué)家、圣方濟(jì)各會(huì)修士奧卡姆的威廉(William of Occam)提出的一個(gè)原理。在試圖了解某事物時(shí),采用必要的信息是獲得解釋的最快途徑,即“如無(wú)必要,勿增實(shí)體”),該原理說(shuō)如果有兩個(gè)互相矛盾的理論,最簡(jiǎn)單的那個(gè)通常是真的。“但是如果暗物質(zhì)確實(shí)是那么復(fù)雜該怎么辦呢?”他說(shuō),“我們無(wú)從選擇,只能聽(tīng)從自然的安排?!?div style="height:15px;">