作者 Joseph Silk

翻譯 阿金

審校&編輯 金莊維

大部分天文學(xué)家相信，暗物質(zhì)如同恒星、行星一般，是切實(shí)存在的。我們能夠按圖索驥地將它描繪出來；我們認(rèn)為星系內(nèi)大部分都是暗物質(zhì)，中間零星點(diǎn)綴著“亮斑”（可見物質(zhì)）；我們利用暗物質(zhì)來理解宇宙的結(jié)構(gòu)及其演化。但是近十年以來，各種設(shè)計(jì)精巧的實(shí)驗(yàn)都沒能直接探測(cè)到暗物質(zhì)：我們看到它留下的蛛絲馬跡，卻并不知道暗物質(zhì)究竟是什么。

科學(xué)家在很早以前就排除了暗物質(zhì)是某種普通物質(zhì)或基本粒子的可能性。相關(guān)的理論傾向于認(rèn)為，暗物質(zhì)是一種與普通物質(zhì)僅發(fā)生微弱相互作用的新型粒子。大量暗物質(zhì)粒子整日整夜地穿過我們的星球，它們理應(yīng)留下些痕跡。物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)晶體，將它們填滿低溫桶，并運(yùn)往地底深處以屏蔽普通粒子的干擾，然后等待泄露未知粒子“行蹤”的微小熱脈沖和閃光的出現(xiàn)。不過迄今為止，結(jié)果不容樂觀：南達(dá)科他州萊德市（Lead, South Dakota）的一個(gè)廢棄金礦內(nèi)，地下一英里（約 1609 米）深處進(jìn)行的大型地下氙探測(cè)器實(shí)驗(yàn)（LUX experiment）一無所獲；中國四川省錦屏山地下 2400 米巖層內(nèi)的隧道中，粒子和天體物理氙探測(cè)器（PandaX）實(shí)驗(yàn)一無所獲；法國阿爾卑斯大區(qū)弗雷瑞斯（Fréjus）附近的隧道中，地下 1.7 千米的 EDELWEISS 實(shí)驗(yàn)亦是一無所獲。零收獲的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)名單還在繼續(xù)增加。

這些“零結(jié)果”將暗物質(zhì)可能潛藏的參數(shù)空間限制得越來越窄。面對(duì)數(shù)據(jù)的匱乏，理論物理學(xué)家猜想，暗物質(zhì)是性質(zhì)更為奇特的粒子，其中大部分更難被探測(cè)到。既然暗物質(zhì)探測(cè)如此困難，物理學(xué)家可以將希望轉(zhuǎn)而寄托于通過粒子加速器“撞”出暗物質(zhì)粒子。這樣，我們就能通過檢測(cè)粒子對(duì)撞中的能量消失，來推斷出它們的存在。但是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）已經(jīng)精確地嘗試過了這種方式，但目前為止依然毫無收獲。一些理論家懷疑暗物質(zhì)根本不存在，愛因斯坦的廣義相對(duì)論將我們引入了歧途。這個(gè)理論告訴我們，星系如果不是被一些看不見的物質(zhì)牢牢束縛在一起的話，早就四處飛散了，但是也可能這個(gè)理論本身有問題。不過迄今為止，廣義相對(duì)論經(jīng)受住了其它所有觀測(cè)的檢驗(yàn)，而與它競(jìng)爭(zhēng)的其他理論則存在各種致命缺陷。

85%的物質(zhì)是我們現(xiàn)在所未知的。最令人擔(dān)心的是，情況會(huì)永遠(yuǎn)如此。

僅存的希望

雖然大部分暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)一無所獲，但仍然有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)堅(jiān)稱，他們找到了暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。由于種種原因，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果備受爭(zhēng)議。它們可能是錯(cuò)的，但也值得深究。即便確實(shí)一無所獲，這也還是說明了，在茫茫宇宙中尋找暗物質(zhì)困難重重。

在意大利北部山下一條 1.4 千米長(zhǎng)的隧道中，格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室（Gran SassoLaboratory）的 DAMA/LIBRA 粒子探測(cè)器便在尋找暗物質(zhì)的蹤影：暗物質(zhì)粒子散射碘化鈉晶體內(nèi)的原子核而發(fā)出的閃光。這臺(tái)探測(cè)器已經(jīng)收集了超過 13 年的數(shù)據(jù)，并且“看見”過一個(gè)非常特別的現(xiàn)象：粒子檢測(cè)率隨季節(jié)更迭而起伏，在六月份達(dá)到最高，在十二月份達(dá)到最低。

這正是我們所期待的。理論上預(yù)言，暗物質(zhì)會(huì)在銀河系周圍形成一片巨大的“云團(tuán)”。整個(gè)太陽系都在這片云團(tuán)中穿行，但是單個(gè)行星的速度不同，這是因?yàn)樗鼈儑@太陽的軌道運(yùn)動(dòng)不同。地球相對(duì)“云團(tuán)”的速度在六月達(dá)到最高，而在十二月達(dá)到最低。這能夠確定暗物質(zhì)粒子穿過地球探測(cè)器的速率。

然而，情況并不像我們想象中那樣樂觀。不可否認(rèn)，DAMA 探測(cè)到了非常顯著的季節(jié)性變化。但是許多其他因素也會(huì)產(chǎn)生這種特點(diǎn)，比如地下水流（影響輻射的背景水平），還有大氣中其他粒子的數(shù)量，比如 μ 子。根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，其他一些實(shí)驗(yàn)聲稱他們的結(jié)果和 DAMA 不符。但是確認(rèn) DAMA 結(jié)果可靠性的唯一方法就是用相同類型的探測(cè)器在不同的地點(diǎn)重復(fù)同樣的實(shí)驗(yàn)。目前就有幾個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)正在籌備和進(jìn)行中。其中一個(gè)將在南極開展，那里的季節(jié)變化與意大利大不相同。

另一條線索來自間接實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)不是暗物質(zhì)粒子本身，而是它們碰撞、湮滅后產(chǎn)生的二級(jí)粒子。2008 年，意大利和俄羅斯聯(lián)合制造的 PAMELA 衛(wèi)星（Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics）意外地觀察到大量來自宇宙深處的正電子（正電子是電子的反物質(zhì)）。最近，國際空間站上的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer）也確認(rèn)了這項(xiàng)觀察結(jié)果。與此同時(shí)，費(fèi)米衛(wèi)星（Fermi satellite）報(bào)告觀測(cè)到自銀河系中心發(fā)出、延伸至約 20 度（角距離）的伽瑪射線束。它的形狀正好符合我們對(duì)暗物質(zhì)的預(yù)期：關(guān)于銀河系中心呈球面對(duì)稱，越靠近中心，強(qiáng)度越大。

這完美得讓人不敢相信！但美中不足的是，觀測(cè)到的正電子和伽馬射線也可能都源自快速旋轉(zhuǎn)的中子星——毫秒脈沖星。理論研究對(duì)于源自暗物質(zhì)候選粒子的正電子特征作出了預(yù)言，但觀測(cè)到的正電子特征與預(yù)言并不相符，因此我們需要檢查它們是否來自中子星所在的方向。而伽馬射線的波動(dòng)則表明它們可能來自銀河系中心周圍的許多微弱、未知的脈沖星源。此外，如果這些伽馬射線來自暗物質(zhì)，天文學(xué)家應(yīng)該能夠檢測(cè)到附近的小型矮星系發(fā)出的類似信號(hào)。這些矮星系擁有的暗物質(zhì)可比我們自己的銀河系多多了。遺憾的是，我們并沒有探測(cè)到這樣的信號(hào)。

諸多可能

大部分暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)致力于尋找最簡(jiǎn)單的候選粒子——大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMPs），它是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的自然衍生品。這里的“弱”有雙層含義：粒子之間通過弱相互作用進(jìn)行“互動(dòng)”；這種相互作用非常微弱。研究人員不需要知道細(xì)節(jié)，光憑“弱”這個(gè)信息能就計(jì)算出宇宙中需要存在多少這樣的粒子。在大爆炸的原初湯中，粒子們“自生自滅”。隨著宇宙的膨脹，溫度逐漸下降，各種類型的粒子一個(gè)接一個(gè)地形成，形成時(shí)間取決于各自的質(zhì)量。不過這時(shí)，部分粒子仍會(huì)通過相互作用被“消滅”，被滅的比例取決于相互作用的強(qiáng)度。直到宇宙膨脹到足夠大，粒子的分布足夠稀疏以致相互之間無法發(fā)生碰撞，粒子的數(shù)量才穩(wěn)定下來。

給定 WIMP 的相互作用強(qiáng)度，你就能算出它們的數(shù)量，然后你會(huì)發(fā)現(xiàn)，早期宇宙這口大鍋應(yīng)該能制造出相當(dāng)數(shù)量的暗物質(zhì)。計(jì)算還能給出 WIMP 的質(zhì)量，應(yīng)該有數(shù)百個(gè)質(zhì)子那么重?？偠灾?，這種暗物質(zhì)候選粒子能在標(biāo)準(zhǔn)模型中自然出現(xiàn)，并且性質(zhì)優(yōu)異，所以物理學(xué)家稱之為“WIMP 奇跡”。

然而，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。隨著越來越多的 WIMP 探測(cè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告“零收獲”，物理學(xué)家變得越來越絕望。他們開始考慮備胎選項(xiàng)。

暗物質(zhì)粒子也許擁有極大的質(zhì)量，從而無法被現(xiàn)有的探測(cè)器捕獲。但這又帶來一個(gè)新問題：粒子的質(zhì)量越大，它們的數(shù)量就越少（因?yàn)橛钪鎸W(xué)觀測(cè)僅對(duì)暗物質(zhì)的總質(zhì)量做出限制），可能少到被我們的探測(cè)器所忽略。若真如此，物理學(xué)家就需要找到與以往完全不同的搜尋方案，比如考慮這些粒子對(duì)古老的中子星或其他天體的影響。

另一種可能性則是：暗物質(zhì)粒子太輕，以致于無法在探測(cè)器上留下顯著的印記。在這種情況下，物理學(xué)家可以使用天然探測(cè)器——太陽來尋找這些粒子。太陽在穿過星系的暗物質(zhì)“云”時(shí)會(huì)撞上大片粒子。這些粒子與太陽中的質(zhì)子發(fā)生散射，從而對(duì)太陽的溫度分布產(chǎn)生影響。這會(huì)引發(fā)氣體漩渦的湍流行為：在太陽外層或上升，或下降，或旋轉(zhuǎn)。我們能夠通過日震科學(xué)來看到這些現(xiàn)象。（日震學(xué)研究太陽內(nèi)部傳播的擾動(dòng)及其對(duì)太陽表面的影響，就像我們通過地震學(xué)來研究地震現(xiàn)象一樣。）研究表明一些日震學(xué)異?，F(xiàn)象難以用標(biāo)準(zhǔn)的太陽模型進(jìn)行解釋。

太陽的“黑暗之心”：太陽能夠作為天然的暗物質(zhì)探測(cè)器。和暗物質(zhì)的相互作用可能會(huì)改變太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這種改變能通過監(jiān)測(cè)太陽表面的振蕩而被觀測(cè)到。圖中，遠(yuǎn)離我們的區(qū)域用紅色標(biāo)示，而接近我們的區(qū)域則用藍(lán)色標(biāo)示。圖片來源：AURA/NSO/National Science Foundation

如果暗物質(zhì)粒子聚集在太陽內(nèi)部，它們就有可能在太陽核心湮滅，而這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生高能中微子。位于日本中部的超級(jí)神岡探測(cè)器（Super-Kamiokande）和南極的冰立方中微子天文臺(tái)（IceCube observatory）就致力于探測(cè)這樣的中微子。但迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)事例。

最極端的候選者是軸子，它的質(zhì)量?jī)H僅是質(zhì)子質(zhì)量的萬億分之一，甚至更小。這種粒子雖然現(xiàn)在還僅存于理論當(dāng)中，但也并非不可見：它能夠發(fā)生電磁相互作用，并在強(qiáng)磁場(chǎng)腔中制造出微波光子。研究人員從上世紀(jì)八十年代起，就著手進(jìn)行軸子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，但和 WIMP 探測(cè)器一樣，結(jié)果不容樂觀。

我們還有些更加大膽的想法——

也許，暗粒子根本不是粒子，而是電磁場(chǎng)的某位“遠(yuǎn)房表親”——“非粒子”，它的能量并非以離散波包的形式存在。非粒子能在對(duì)撞數(shù)據(jù)中留下間接的痕跡。

也許，暗物質(zhì)的“身份”并非單一。普通物質(zhì)便由許多類型的粒子構(gòu)成，暗物質(zhì)同樣可能擁有多重身份。但這樣一來，每種粒子的特征都會(huì)被稀釋，使得研究更加困難。

也許，暗物質(zhì)不參與除引力以外的任何相互作用，這會(huì)使得實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的研究生涯成為一場(chǎng)噩夢(mèng)。

這是最好的時(shí)代，也是最壞的時(shí)代

從某種意義上，我們正處于科學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)代，舊觀點(diǎn)被宣告無效，新觀點(diǎn)亟待出觀——也許是新粒子，也許是新的引力理論。

惱人的一點(diǎn)在于，自然把新物理藏在一個(gè)我們找不到的地方。雖然我們?cè)趯ふ?WIMP 的大業(yè)中尚未智窮計(jì)盡，但實(shí)驗(yàn)發(fā)展的空間是有限的。探測(cè)器在對(duì)暗物質(zhì)越來越敏感的同時(shí)，也對(duì)其他粒子更加敏感，所以提高精確度未必能將兩者區(qū)分開來。按照現(xiàn)在前進(jìn)的步伐，在十年之內(nèi)，探測(cè)器就將難以區(qū)分太陽發(fā)出的中微子和宇宙射線撞擊地球大氣層發(fā)出的中微子。

不過那時(shí)，我們?nèi)匀荒軌蛟V諸間接的探測(cè)方法。其中最有希望的一個(gè)就是切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（Cherenkov Telescope Array）。這個(gè)陣列由分布在智利和拉帕爾馬島的 100 多架望遠(yuǎn)鏡組成，它們的目標(biāo)之一就是尋找星系中暗物質(zhì)粒子湮滅而產(chǎn)生的伽馬射線。但是這項(xiàng)研究終將碰上一大難題：成本。暗物質(zhì)探測(cè)器目前是大型物理實(shí)驗(yàn)中最經(jīng)濟(jì)的一類。但是如果我們要持續(xù)擴(kuò)大它們的規(guī)模，提高靈敏度和復(fù)雜度，那么它們也將加入LHC（成本將近 70 億美元）、韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（成本將近 80 億美元）等燒錢猛獸的隊(duì)伍。況且，暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒€不好說，這就很難打動(dòng)政客。

發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的最強(qiáng)工具也許會(huì)是新的粒子對(duì)撞機(jī)。物理學(xué)家計(jì)劃在大約三十年后建造一個(gè)能量七倍于 LHC 的對(duì)撞機(jī)。中國和歐洲都在研究建造方案。參考 LHC 的造價(jià)進(jìn)行粗略估計(jì)，新對(duì)撞機(jī)將耗費(fèi) 250 億美元（按現(xiàn)在的美元市值來算）?？紤]到這筆花銷由多個(gè)國家共同承擔(dān)，并且對(duì)撞機(jī)的建造時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，這也許是可以被接受的。但這可能已經(jīng)達(dá)到了極限。如果那時(shí)我們依舊一無所獲，那么即使物理學(xué)家擁有無盡的資源、建造更大的探測(cè)器，也于事無補(bǔ)。因?yàn)樾聦?duì)撞機(jī)都無法看到的未知粒子必然擁有超大的質(zhì)量，以至于大爆炸產(chǎn)生的粒子數(shù)量不足以解釋暗物質(zhì)在宇宙中所占的比重。自然，它們也不可能是暗物質(zhì)粒子。

盡管我們付出種種艱辛的努力，但結(jié)局未必美好——我們可能不會(huì)發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)粒子的信號(hào)。也許，暗物質(zhì)根本就不存在。我們?cè)噲D修正愛因斯坦的引力理論——廣義相對(duì)論來拋棄暗物質(zhì)，但迄今為止，這個(gè)理論完美地通過了各種實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。自 2016 年起，LIGO 探測(cè)到的引力波信號(hào)又一次支持了廣義相對(duì)論。所以，它的另一個(gè)預(yù)言——暗物質(zhì)的存在也難以被推翻。

不過往好處想，暗物質(zhì)探測(cè)的困難也表明，自然界仍有大量謎團(tuán)等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和探索。我們現(xiàn)在仍在尋找暗物質(zhì)粒子。迷失在黑暗中的我們，除了前進(jìn)別無他法。

Joseph Silk 是牛津大學(xué)的宇宙學(xué)家，同時(shí)也在巴黎天體物理研究所、約翰霍普金斯大學(xué)任職。他是研究宇宙微波背景輻射和宇宙結(jié)構(gòu)形成的先驅(qū)。