▲暗物質(zhì)通過引力將宇宙塑造成了一個由星系構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。理論學(xué)家現(xiàn)在猜測，暗物質(zhì)或許還會施加其他作用力。這張圖片來源于2005 年的千禧模擬（Millennium Simulation）項目，描繪了一片寬約16 億光年的宇宙區(qū)域中物質(zhì)的分布狀況。
撰文 馮孝仁（Jonathan Feng）
馬克·特羅登（Mark Trodden）
翻譯 虞駿
兩條互不相干的理由讓科學(xué)家相信，宇宙中充斥著某種未知形式的物質(zhì)——暗物質(zhì)。一是恒星、星系和氣體云團的運動方式，就好像它們受到了不可見物質(zhì)引力的牽引。二是放射性衰變之類的過程提出的難題，可以用一些迄今未知的粒子來合理解釋。
通常認(rèn)為暗物質(zhì)由WIMP粒子構(gòu)成，這種粒子幾乎不與可見世界發(fā)生相互作用。孤僻是它的必要條件。
或者至少可以說，這是常見的假設(shè)。暗物質(zhì)有沒有可能實際上擁有豐富精彩的內(nèi)部生活？努力想弄明白暗物質(zhì)由什么東西構(gòu)成的粒子物理學(xué)家認(rèn)為，它們能夠通過一大堆作用力發(fā)生互動，其中就包括某種我們的眼睛完全不可見的“光”。
1846 年9 月23 日，德國柏林天文臺臺長約翰·戈特弗里德·伽勒（Johann Gottfried Galle）收到一封信，一封即將改變天文學(xué)發(fā)展進程的信。寄這封信的是一個法國人，名叫于爾班·勒威耶（Urbain Le Verrier）。他一直在研究天王星（Uranus）的運動，得出了如下結(jié)論——天王星的軌跡無法用當(dāng)時已知的、作用于其上的引力來完全解釋。于是勒威 耶提出，必定存在一個當(dāng)時尚未觀測到的天體，它的引力干擾了天王星軌道，而且干擾方式剛好能夠解釋觀測到的異常運動。就在當(dāng)天晚上，伽勒將望遠鏡瞄向了勒 威耶指明的方向，發(fā)現(xiàn)了太陽系的第八大行星——海王星（Neptune）。歷史在現(xiàn)代宇宙學(xué)中再度上演——天文學(xué)家觀測到宇宙中的異常運動，推測存在新的 物質(zhì)，然后努力去尋找它們。這次扮演天王星角色的是恒星和星系，我們看到它們正以一種不應(yīng)該有的方式在運動，扮演海王星角色的則是我們推斷存在卻迄今未能 觀測到的東西，現(xiàn)在暫時被稱為暗物質(zhì)（dark matter）和暗能量（dark energy）。根據(jù)我們看到的那幾類異?，F(xiàn)象，我們能夠搜集到一些與它們有關(guān)的基本事實。暗物質(zhì)似乎是一片不可見粒子的海洋，它們充斥在空間各處，密度 并不均勻；暗能量則均勻分布，就好像與空間本身的結(jié)構(gòu)交織在了一起?？茖W(xué)家還沒能再現(xiàn)伽勒當(dāng)年的壯舉——將望遠鏡指向天空便明確無誤地瞥見了未被看到的目 標(biāo)，但令人心動的線索及暗示，比如粒子探測器里的神秘信號，數(shù)量卻在不斷增長。
盡管海王星是作為暗中影響天王星的一股神秘力量而被發(fā)現(xiàn)的，但它本身也是一顆令人著迷的星球。這樣的情況會在暗物質(zhì)和暗能量身上再現(xiàn)嗎？尤其是暗物質(zhì)，科 學(xué)家開始考慮這樣一種可能性——暗物質(zhì)并非只是為解釋可見物質(zhì)異常運動而發(fā)明出來的抽象概念，而是宇宙隱藏起來的另一面，內(nèi)部有著豐富精彩的活動。它或許 由許多種不同的粒子構(gòu)成，通過自然界中的全新作用力發(fā)生相互作用——這樣一個完整的宇宙，靜悄悄地與我們自己的宇宙交織在了一塊。
宇宙隱暗面為解決粒子物理學(xué)百年難題而被提出的一種粒子，居然漂亮地解釋了宇宙學(xué)中的暗物質(zhì)。
這些想法與科學(xué)家一貫沿用的如下假設(shè)有所出入，即暗物質(zhì)和暗能量是宇宙中最不擅長“交際”的東西。自從20 世紀(jì)30 年代天文學(xué)家首次推斷暗物質(zhì)存在以來，他們就把“不與其他東西相互作用”當(dāng)成了暗物質(zhì)的招牌屬性。天文觀測暗示，暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6 倍。星系和星系團全都被巨大的暗物質(zhì)球包裹，天文學(xué)家稱之為“暗物質(zhì)暈”（dark matter halo）。如此大量的物質(zhì)居然能避開直接檢測，天文學(xué)家據(jù)此推論：暗物質(zhì)必定由幾乎不與普通物質(zhì)互動、當(dāng)然彼此間也幾乎不發(fā)生相互作用的粒子構(gòu)成。它們 唯一的作用，就是為發(fā)光物質(zhì)搭建引力“腳手架”。
天文學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)暈在宇宙早期率先形成，然后才把普通物質(zhì)吸引了進來。普通物質(zhì)由于擁有一系列豐富多樣的互動能力而發(fā)展出了錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，毫無生氣 的暗物質(zhì)卻依然停留在原始狀態(tài)。至于暗能量，它唯一的作用似乎就是加速宇宙膨脹，而且現(xiàn)有證據(jù)表明，自宇宙誕生以來，暗能量就完全沒有發(fā)生過任何變化。
推動人們對“暗物質(zhì)可能會更有生氣”產(chǎn)生預(yù)期的，與其說是天文學(xué)研究，倒不如說是對原子內(nèi)部運作機制和亞原子粒子微觀世界的細致探索。粒子物理學(xué)家有這樣 一個傳統(tǒng)：能夠在已知物質(zhì)的行為當(dāng)中看出未知物質(zhì)形式的蛛絲馬跡。他們的證據(jù)提供了完全獨立于宇宙中異常運動的另一條線索。對于暗物質(zhì)而言，這條思路最早 可以追溯到20 世紀(jì)初放射性β 衰變的發(fā)現(xiàn)。為了解釋放射性β 衰變這種現(xiàn)象，當(dāng)時的意大利理論學(xué)家恩里科· 費米（Enrico Fermi） 假定，自然界中存在一種新的作用力和一類新的作用力傳遞粒子，是它們導(dǎo)致了原子核的衰變。新的作用力類似于電磁力（electromagnetism）， 新的粒子則類似于光子（photon）—— 不過有一點不同，而且至關(guān)重要。光子沒有質(zhì)量，因而運動能力超強，費米卻主張這些新粒子必須很重。它們的質(zhì)量會限制它們的活動范圍，這樣才能解釋為什么這 種作用力能夠?qū)е略雍朔至?，卻無法在其他情況下被人察覺。為了能夠再現(xiàn)出觀測到的放射性同位素的半衰期（half-life），這些新粒子必須相當(dāng)重 ——大約是質(zhì)子質(zhì)量的100 倍，換算成粒子物理學(xué)里的標(biāo)準(zhǔn)單位，就是大約100 GeV（十億電子伏特）。這種新的作用力現(xiàn)在被稱為弱核力（weak nuclear force），假想中的弱核力傳遞粒子則是W 粒子和Z 粒子，已經(jīng)在20 世紀(jì)80 年代被人發(fā)現(xiàn)。它們本身并不是暗物質(zhì)，但它們的性質(zhì)暗示了暗物質(zhì)的存在。按照粒子物理學(xué)家的經(jīng)驗來推測，它們不應(yīng)該有這么重才對。這么大的質(zhì)量暗示，有東 西在對它們施加影響——新的粒子導(dǎo)致它們承擔(dān)了更多的質(zhì)量，就好像一位朋友老是誘惑你再多吃一塊蛋糕一樣。大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）的一項任務(wù)就是要尋找這些粒子，它們的質(zhì)量應(yīng)該跟W 粒子和Z 粒子的質(zhì)量相當(dāng)。事實上，物理學(xué)家認(rèn)為排著隊等待被發(fā)現(xiàn)的粒子或許多達好幾十種——按照所謂的超對稱（supersymmetry）原理，每種已知粒子都 有一種未知粒子與它對應(yīng)。在這些假想的粒子當(dāng)中，有一大類被統(tǒng)稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）。之所以起這個名字，是因為這些粒子只通過弱核力發(fā)生相互作用。由于跟主宰著日常世界的電磁力完全“絕緣”，這些粒子根本是 看不見的，也幾乎不會對普通粒子產(chǎn)生任何直接的影響。因此，它們成了宇宙中暗物質(zhì)的完美候選者。
不過，這些粒子能否真正解釋暗物質(zhì)，還取決于它們的數(shù)量有多少。而這，正是粒子物理學(xué)觀點真正吸引眼球之處。與其他任何種類的粒子一樣，WIMP 粒子也是在宇宙大爆炸的“烈焰”中產(chǎn)生的。在宇宙的極早期，高能粒子碰撞既能創(chuàng)造WIMP 粒子，也能摧毀WIMP 粒子，因而在任意時刻，都會有一定數(shù)量的WIMP 粒子存在。這一數(shù)量會隨時間而變，具體取決于受宇宙膨脹驅(qū)動的兩個相互抵觸的效應(yīng)。第一個效應(yīng)是宇宙這鍋“原湯”的冷卻，這會降低可用于產(chǎn)生WIMP 粒子的能量，因此它們的數(shù)量會減少。第二個效應(yīng)是粒子的稀釋，這會降低粒子碰撞發(fā)生的頻率，直到碰撞實際上不再發(fā)生為止。到了此時，也就是大爆炸后大約 10 納秒（nanosecond， 十億分之一秒），WIMP 粒子的數(shù)量便被凍結(jié)了下來。宇宙不再擁有創(chuàng)造WIMP 粒子所需的高能量，也不再具備摧毀它們所需的高密度。
