撰文 | Joseph Silk

翻譯 | 趙昌昊

編輯 | 吳非

對于天文學(xué)家來說,，暗物質(zhì)與恒星、行星一樣,，都是真實(shí)存在的物質(zhì),。天文學(xué)家可以繪制暗物質(zhì)分布圖，把一個個星系視為由“發(fā)光”的普通物質(zhì)點(diǎn)綴著的暗物質(zhì)云團(tuán),。借用暗物質(zhì),，科學(xué)家還成功地解釋了宇宙結(jié)構(gòu)是如何形成和演化的。然而,，經(jīng)過10多年的搜索,，我們至今仍然沒能直接探測到暗物質(zhì)。我們被籠罩在暗物質(zhì)的云團(tuán)中,，卻不知宇宙的暗面究竟為何物,。

科學(xué)家早已確信，暗物質(zhì)不是我們所熟知的任何一種普通物體或粒子,。目前,，理論研究傾向于認(rèn)為暗物質(zhì)由一種新粒子構(gòu)成，這種粒子與普通粒子之間存在弱相互作用,。大量暗物質(zhì)粒子會在宇宙空間中穿行,，甚至能夠穿透地球，因此我們有理由相信,，總有一些暗物質(zhì)粒子會在我們身邊留下蹤跡,。物理學(xué)家將晶體放置在低溫探測器中，深埋于地下以便屏蔽掉普通粒子帶來的噪聲,，靜靜等待探測器中的能量和閃光信號,。這些信號將會暴露那些神秘的未知粒子的行蹤，然而截至目前,，研究人員仍然一無所獲,。在美國南達(dá)科他州利德市,，大型地下氙探測器（Large Underground Xenon experiment, LUX）位于地下1.6千米深的一座廢棄金礦中，該裝置目前尚未得到任何探測結(jié)果,。中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的“熊貓計(jì)劃”（PandaX）位于2.4千米厚的巖石之下,，它也尚未探測到暗物質(zhì)。在法國阿爾卑斯山下的弗雷瑞斯公路隧道中,，EDELWEISS暗物質(zhì)探測裝置位于地下1.7千米深處,，同樣沒有任何結(jié)果。世界上還有其他一些暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn),，均毫無收獲,。

各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都沒有得到結(jié)果，這使得暗物質(zhì)所能夠存在的參數(shù)區(qū)間越來越小,。面對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的荒原,，理論物理學(xué)家假想了一些性質(zhì)更加奇特的粒子，但這些粒子大部分都更難探測,。在實(shí)驗(yàn)上,，我們還可以嘗試用粒子對撞機(jī)來制造暗物質(zhì)，通過探測粒子的總能量是否呈現(xiàn)表觀上的減少,，來判斷碰撞中是否有暗物質(zhì)產(chǎn)生,。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)做了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，但尚未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡,。一些理論物理學(xué)家懷疑,，也許暗物質(zhì)根本就不存在，而是目前的引力理論,，即愛因斯坦的廣義相對論,，誤導(dǎo)了我們。根據(jù)廣義相對論,，如果星系中僅僅包含可見的普通物質(zhì),，那么其所產(chǎn)生的萬有引力將不足以維持星系的形態(tài)，星系中的物質(zhì)會飛散到宇宙空間中去,。誠然,，廣義相對論可能有漏洞，但目前為止,，它經(jīng)受了所有的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),，而能夠挑戰(zhàn)廣義相對論的理論則總是看上去包含有致命的缺陷。

目前,，宇宙中85%的物質(zhì)仍是人類未知的,。更可怕的是，我們或許永遠(yuǎn)都解不開這個謎題,。

盡管大多數(shù)暗物質(zhì)探測裝置都沒有得到任何結(jié)果,，但有兩個實(shí)驗(yàn)卻聲稱發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)。這兩個與眾不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均有爭議,，很有可能是錯的,，但也值得我們仔細(xì)審視。

意大利格蘭薩索（Gran Sasso）國家實(shí)驗(yàn)室的DAMA/LIBRA粒子探測器位于山體之下1.4千米深的隧道中,，用于探測暗物質(zhì)粒子與碘化鈉晶體中的原子核碰撞,、散射之后發(fā)出的閃光。它已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了超過13年,，其間觀測到了一個特別的現(xiàn)象：探測器的粒子計(jì)數(shù)率隨著季節(jié)變化而周期性地起伏,，每年6月達(dá)到最大值，12月最小,。

而暗物質(zhì)探測恰恰應(yīng)該呈現(xiàn)出這種季節(jié)周期性,。根據(jù)目前的推斷，暗物質(zhì)云團(tuán)包裹著整個銀河系,，而我們的太陽系圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn),，正在穿過暗物質(zhì)云團(tuán)。同時,，地球又在圍繞著太陽公轉(zhuǎn),，因此地球相對于暗物質(zhì)云團(tuán)的運(yùn)動速度就會以1年為周期振蕩變化，這也就決定了暗物質(zhì)粒子穿過地球上探測器的計(jì)數(shù)率,，恰恰就是在6月達(dá)到最大,，12月最小。

DAMA所探測到的粒子計(jì)數(shù)率的季節(jié)性變化確實(shí)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)顯著性,，但能夠?qū)е掠?jì)數(shù)率周期性變化的因素并不僅僅有暗物質(zhì)粒子,。地下水的流量同樣有著季節(jié)性周期變化，其中攜帶的放射性元素會影響探測器的背景噪聲,。其他宇宙粒子,，例如μ子，在大氣層中所產(chǎn)生的輻射也會呈周期性變化,。此外,，世界上另外5個實(shí)驗(yàn)得出的暗物質(zhì)參數(shù)區(qū)間與DAMA的結(jié)果不一致。不過,，要想得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)論,，最好的辦法是在其他地方用同種探測器復(fù)制DAMA的實(shí)驗(yàn)。目前,，幾處同樣的實(shí)驗(yàn)裝置正在建設(shè)當(dāng)中,，其中一個位于南極，那里自然環(huán)境的季節(jié)性變化與意大利正好相反,，比較之下或許能夠得出有價值的結(jié)論,。

關(guān)于暗物質(zhì)的另一條線索來自一個間接實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。意大利與俄羅斯聯(lián)合發(fā)射的人造地球衛(wèi)星PAMELA原本是用于探測物質(zhì)與反物質(zhì)碰撞湮滅后產(chǎn)生的二級粒子，并非探測暗物質(zhì),，但它在2008年意外地觀測到宇宙深處發(fā)射出大量的正電子（電子的反粒子）,。近期，這個觀測結(jié)果得到了國際空間站上阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer,，AMS）的支持,。另外，美國國家航空航天局的費(fèi)米衛(wèi)星（Fermi satellite）觀測到銀河系中心發(fā)出一束擴(kuò)展寬度達(dá)到20度伽馬射線,。伽馬射線束關(guān)于星系中心呈球?qū)ΨQ分布,，越靠近中心強(qiáng)度越強(qiáng)，這種分布剛好與暗物質(zhì)理論的預(yù)期一致,。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)看上去似乎已經(jīng)找到暗物質(zhì)了,。然而，上述正電子和伽馬射線可能都是毫秒脈沖星導(dǎo)致的,，這是一種快速旋轉(zhuǎn)的中子星,。其實(shí)，正電子本身就與可能的暗物質(zhì)候選模型的特征不吻合,。要想確定這些正電子究竟來自于哪種物質(zhì),，我們需要檢查正電子是否來自于某個已知的中子星的方向。至于那些伽馬射線,，它們所表現(xiàn)出的漲落也更像是銀河系中心的某些尚未識別的微弱的中子星信號,。而且，如果伽馬射線確實(shí)是來自于暗物質(zhì),，那么我們應(yīng)該能夠在附近的小型矮星系中觀測到相似的信號,，因?yàn)檫@些矮星系應(yīng)該相應(yīng)地包含更多暗物質(zhì)?？上?，我們至今仍未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的證據(jù)。

當(dāng)前,，人類對于暗物質(zhì)的搜索,，主要集中在一種最簡單的候選粒子，即弱相互作用大質(zhì)量粒子（weakly interacting massive particles, WIMP）,。這個“弱”有兩層含義,，一方面指這種相互作用的強(qiáng)度非常微弱，另一方面也指這種粒子與普通物質(zhì)之間只存在弱核力相互作用,。弱相互作用大質(zhì)量粒子,，是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的自然擴(kuò)展。即便不了解更多的細(xì)節(jié)，一個“弱”字所包含的信息也足以供物理學(xué)家計(jì)算出宇宙中有多少這種粒子,。在宇宙大爆炸所產(chǎn)生的高溫原初物質(zhì)中,，粒子不斷地產(chǎn)生和湮滅。宇宙逐漸膨脹,，物質(zhì)的溫度隨之下降,，不同種類的粒子也陸續(xù)停止生成,，而具體何時停止,，取決于粒子的質(zhì)量。另一方面,，粒子還在不斷的碰撞中被破壞,，碰撞破壞的速率，則取決于粒子之間相互作用的強(qiáng)度,。這種破壞持續(xù)進(jìn)行,，直到粒子在宇宙中彌散開來，無法再頻繁地發(fā)生碰撞,。

于是,，只要給定WIMP的相互作用強(qiáng)度，再加上一些數(shù)學(xué)運(yùn)算,，我們就可以計(jì)算出早期宇宙的“熱湯”中所含有的WIMP的數(shù)量,，這個結(jié)果與當(dāng)今所觀測到的暗物質(zhì)的總量一致。計(jì)算結(jié)果還表明,，WIMP的質(zhì)量應(yīng)該是質(zhì)子質(zhì)量的數(shù)百倍,。總的來說,，WIMP的性質(zhì)剛好處于一個最優(yōu)點(diǎn),。如此良好的性質(zhì)，被人們稱為“WIMP奇跡”,。

然而,，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感,。在經(jīng)歷了無數(shù)失敗的實(shí)驗(yàn)之后,，物理學(xué)家走投無路，不得不拾起那些曾經(jīng)被認(rèn)為不靠譜的理論,。

一種可能的情況是,，暗物質(zhì)粒子比之前預(yù)料的要重得多。這里包含了一層簡單的邏輯：單個粒子越重,，那么為了湊足天文觀測中推算出的暗物質(zhì)質(zhì)量,，所需要的暗物質(zhì)粒子就越少，而正是因?yàn)榘滴镔|(zhì)粒子太少，人類的探測器才沒能捕捉到它們,。如果情況果真如此,，那么物理學(xué)家就要嘗試用完全不同的方式來搜索暗物質(zhì)粒子了，比如通過暗物質(zhì)粒子對暮年中子星或其他天體的影響,，來尋找暗物質(zhì)的蹤跡,。

另一種可能的情況恰恰相反：暗物質(zhì)粒子可能太輕了，以至于無法在探測器中留下痕跡,。這時,，物理學(xué)家可以借用太陽這個天然的探測器。太陽在銀河系中穿行,，掃過暗物質(zhì)粒子,。這些暗物質(zhì)粒子與太陽中的質(zhì)子發(fā)生散射，會改變太陽的溫度分布,，從而影響太陽表層氣體起伏漲落的湍流運(yùn)動,。我們可以對太陽進(jìn)行日震學(xué)觀測。與地震學(xué)類似,，日震學(xué)是一門研究太陽內(nèi)部擾動的傳播以及對太陽表面影響的學(xué)科,。觀測結(jié)果表明，太陽中存在某種反常的日震活動,，無法用目前的標(biāo)準(zhǔn)太陽模型解釋,。

如果暗物質(zhì)粒子能夠在太陽內(nèi)部聚集，那么它們也有可能在日核處湮滅,，產(chǎn)生高能中微子,。日本的超級神岡中微子探測裝置，以及南極的“冰立方”天文臺都有能力觀測到這樣的中微子,，但目前二者都尚未報(bào)告相關(guān)的事件,。

超輕暗物質(zhì)粒子的極端情況是一種被稱為“軸子”的假想粒子。它與普通物質(zhì)間有弱相互作用,，質(zhì)量不到質(zhì)子的萬億分之一,，但并非絕對地“暗”：軸子與普通物質(zhì)也有電磁相互作用，在強(qiáng)磁場腔中會產(chǎn)生微波光子,。自從20世紀(jì)80年代,，就有實(shí)驗(yàn)裝置開始探測軸子，但同WIMP探測器一樣,，幾乎顆粒無收,。

也許，暗物質(zhì)粒子根本就不是粒子,，而是一種“非粒子”（unparticle）,。非粒子是由一位理論物理學(xué)家提出的概念,，它與電磁場有一點(diǎn)親緣關(guān)系，但不是一份份分立的能量,。我們有可能在粒子對撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找到非粒子存在的間接證據(jù),。還有一種可能，暗物質(zhì)并不只有單一的組分,，畢竟普通物質(zhì)就包含多種不同的粒子,。暗物質(zhì)可能由幾種不同的粒子組成，這會使得搜尋暗物質(zhì)的工作更加困難,，因?yàn)槲覀兊奶綔y目標(biāo)更加不確定,。最壞的可能性則是，除了萬有引力以外,，暗物質(zhì)粒子根本不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用,。果真如此的話,，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家恐怕是永無翻身之日了,。

換個角度講,，其實(shí)我們現(xiàn)在也恰恰是處在時代的轉(zhuǎn)折點(diǎn),。所謂推陳出新，不破不立,，我們或許應(yīng)該嘗試尋找某種全新的暗物質(zhì)粒子,，也可以嘗試建立一種全新的引力理論，從而完全拋棄暗物質(zhì)的概念,。這樣的機(jī)遇,，正是多少科學(xué)家都夢寐以求的。

但是,，大自然完全有可能把新物理藏到了人類觸不可及的某個角落,。在尋找WIMP方面，盡管人類還沒有打光所有的子彈,，但能夠挽回?cái)【值臋C(jī)會已經(jīng)不多了,。升級改造之后，新的探測器總是能夠?qū)IMP更加敏感,，但同時也對無關(guān)的噪聲粒子更敏感,，總有一天，我們將無法區(qū)分兩者,。如果人類始終不能探測到WIMP的話,，按照目前的發(fā)展速度，10年之內(nèi),，WIMP可能存在的參數(shù)區(qū)間就將逼近中微子,，屆時，我們的探測器根本無法將WIMP與太陽中微子、大氣中微子這些背景噪聲區(qū)分開來,。