暗宇宙里的隐秘生活
时间: 2010-12-15 10:58 来源: 《环球科学》2010年第12期
暗物质和暗能量构成的“暗宇宙”，与我们的宇宙交织在一起。虽然看不见也摸不着，但暗宇宙中的暗居民们或许过着跟我们一样丰富精彩的隐秘生活。
▲暗物质通过引力将宇宙塑造成了一个由星系构成的网络。理论学家现在猜测，暗物质或许还会施加其他作用力。这张图片来源于2005 年的千禧模拟（Millennium Simulation）项目，描绘了一片宽约16 亿光年的宇宙区域中物质的分布状况。
撰文 冯孝仁（Jonathan Feng）
马克·特罗登（Mark Trodden）
翻译 虞骏
两条互不相干的理由让科学家相信，宇宙中充斥着某种未知形式的物质——暗物质。一是恒星、星系和气体云团的运动方式，就好像它们受到了不可见物质引力的牵引。二是放射性衰变之类的过程提出的难题，可以用一些迄今未知的粒子来合理解释。
通常认为暗物质由WIMP粒子构成，这种粒子几乎不与可见世界发生相互作用。孤僻是它的必要条件。
或者至少可以说，这是常见的假设。暗物质有没有可能实际上拥有丰富精彩的内部生活？努力想弄明白暗物质由什么东西构成的粒子物理学家认为，它们能够通过一大堆作用力发生互动，其中就包括某种我们的眼睛完全不可见的“光”。
1846 年9 月23 日，德国柏林天文台台长约翰·戈特弗里德·伽勒（Johann Gottfried Galle）收到一封信，一封即将改变天文学发展进程的信。寄这封信的是一个法国人，名叫于尔班·勒威耶（Urbain Le Verrier）。他一直在研究天王星（Uranus）的运动，得出了如下结论——天王星的轨迹无法用当时已知的、作用于其上的引力来完全解释。于是勒威 耶提出，必定存在一个当时尚未观测到的天体，它的引力干扰了天王星轨道，而且干扰方式刚好能够解释观测到的异常运动。就在当天晚上，伽勒将望远镜瞄向了勒 威耶指明的方向，发现了太阳系的第八大行星——海王星（Neptune）。历史在现代宇宙学中再度上演——天文学家观测到宇宙中的异常运动，推测存在新的 物质，然后努力去寻找它们。这次扮演天王星角色的是恒星和星系，我们看到它们正以一种不应该有的方式在运动，扮演海王星角色的则是我们推断存在却迄今未能 观测到的东西，现在暂时被称为暗物质（dark matter）和暗能量（dark energy）。根据我们看到的那几类异常现象，我们能够搜集到一些与它们有关的基本事实。暗物质似乎是一片不可见粒子的海洋，它们充斥在空间各处，密度 并不均匀；暗能量则均匀分布，就好像与空间本身的结构交织在了一起。科学家还没能再现伽勒当年的壮举——将望远镜指向天空便明确无误地瞥见了未被看到的目 标，但令人心动的线索及暗示，比如粒子探测器里的神秘信号，数量却在不断增长。
尽管海王星是作为暗中影响天王星的一股神秘力量而被发现的，但它本身也是一颗令人着迷的星球。这样的情况会在暗物质和暗能量身上再现吗？尤其是暗物质，科 学家开始考虑这样一种可能性——暗物质并非只是为解释可见物质异常运动而发明出来的抽象概念，而是宇宙隐藏起来的另一面，内部有着丰富精彩的活动。它或许 由许多种不同的粒子构成，通过自然界中的全新作用力发生相互作用——这样一个完整的宇宙，静悄悄地与我们自己的宇宙交织在了一块。
宇宙隐暗面为解决粒子物理学百年难题而被提出的一种粒子，居然漂亮地解释了宇宙学中的暗物质。
这些想法与科学家一贯沿用的如下假设有所出入，即暗物质和暗能量是宇宙中最不擅长“交际”的东西。自从20 世纪30 年代天文学家首次推断暗物质存在以来，他们就把“不与其他东西相互作用”当成了暗物质的招牌属性。天文观测暗示，暗物质的总质量是普通物质的6 倍。星系和星系团全都被巨大的暗物质球包裹，天文学家称之为“暗物质晕”（dark matter halo）。如此大量的物质居然能避开直接检测，天文学家据此推论：暗物质必定由几乎不与普通物质互动、当然彼此间也几乎不发生相互作用的粒子构成。它们 唯一的作用，就是为发光物质搭建引力“脚手架”。
天文学家认为，暗物质晕在宇宙早期率先形成，然后才把普通物质吸引了进来。普通物质由于拥有一系列丰富多样的互动能力而发展出了错综复杂的结构，毫无生气 的暗物质却依然停留在原始状态。至于暗能量，它唯一的作用似乎就是加速宇宙膨胀，而且现有证据表明，自宇宙诞生以来，暗能量就完全没有发生过任何变化。
推动人们对“暗物质可能会更有生气”产生预期的，与其说是天文学研究，倒不如说是对原子内部运作机制和亚原子粒子微观世界的细致探索。粒子物理学家有这样 一个传统：能够在已知物质的行为当中看出未知物质形式的蛛丝马迹。他们的证据提供了完全独立于宇宙中异常运动的另一条线索。对于暗物质而言，这条思路最早 可以追溯到20 世纪初放射性β 衰变的发现。为了解释放射性β 衰变这种现象，当时的意大利理论学家恩里科· 费米（Enrico Fermi） 假定，自然界中存在一种新的作用力和一类新的作用力传递粒子，是它们导致了原子核的衰变。新的作用力类似于电磁力（electromagnetism）， 新的粒子则类似于光子（photon）—— 不过有一点不同，而且至关重要。光子没有质量，因而运动能力超强，费米却主张这些新粒子必须很重。它们的质量会限制它们的活动范围，这样才能解释为什么这 种作用力能够导致原子核分裂，却无法在其他情况下被人察觉。为了能够再现出观测到的放射性同位素的半衰期（half-life），这些新粒子必须相当重 ——大约是质子质量的100 倍，换算成粒子物理学里的标准单位，就是大约100 GeV（十亿电子伏特）。这种新的作用力现在被称为弱核力（weak nuclear force），假想中的弱核力传递粒子则是W 粒子和Z 粒子，已经在20 世纪80 年代被人发现。它们本身并不是暗物质，但它们的性质暗示了暗物质的存在。按照粒子物理学家的经验来推测，它们不应该有这么重才对。这么大的质量暗示，有东 西在对它们施加影响——新的粒子导致它们承担了更多的质量，就好像一位朋友老是诱惑你再多吃一块蛋糕一样。大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）的一项任务就是要寻找这些粒子，它们的质量应该跟W 粒子和Z 粒子的质量相当。事实上，物理学家认为排着队等待被发现的粒子或许多达好几十种——按照所谓的超对称（supersymmetry）原理，每种已知粒子都 有一种未知粒子与它对应。在这些假想的粒子当中，有一大类被统称为弱相互作用大质量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）。之所以起这个名字，是因为这些粒子只通过弱核力发生相互作用。由于跟主宰着日常世界的电磁力完全“绝缘”，这些粒子根本是 看不见的，也几乎不会对普通粒子产生任何直接的影响。因此，它们成了宇宙中暗物质的完美候选者。
不过，这些粒子能否真正解释暗物质，还取决于它们的数量有多少。而这，正是粒子物理学观点真正吸引眼球之处。与其他任何种类的粒子一样，WIMP 粒子也是在宇宙大爆炸的“烈焰”中产生的。在宇宙的极早期，高能粒子碰撞既能创造WIMP 粒子，也能摧毁WIMP 粒子，因而在任意时刻，都会有一定数量的WIMP 粒子存在。这一数量会随时间而变，具体取决于受宇宙膨胀驱动的两个相互抵触的效应。第一个效应是宇宙这锅“原汤”的冷却，这会降低可用于产生WIMP 粒子的能量，因此它们的数量会减少。第二个效应是粒子的稀释，这会降低粒子碰撞发生的频率，直到碰撞实际上不再发生为止。到了此时，也就是大爆炸后大约 10 纳秒（nanosecond， 十亿分之一秒），WIMP 粒子的数量便被冻结了下来。宇宙不再拥有创造WIMP 粒子所需的高能量，也不再具备摧毁它们所需的高密度。
根据WIMP 粒子的预期质量以及它们的相互作用强度（这决定了它们彼此湮灭的发生频率），物理学家很容易就能计算出应该会有多少WIMP 粒子被保留下来。令人惊讶的是，这样计算出来的 WIMP 粒子数量不多不少，在质量和相互作用强度的估算精度之内，刚好能够解释今天宇宙中的暗物质。如此不同寻常的吻合，被科学家称为“WIMP 巧合”（WIMP coincidence）。为解决粒子物理学领域的百年难题而被提出的粒子，就这样干净利落地解释了宇宙学的观测事实。
这条证据链同样暗示，WIMP 粒子几乎不发生相互作用。简单估算一下就能够预言，从你开始阅读这篇文章时算起，已经有将近十亿个这样的粒子从你的身体里穿过，除非你极其幸运，否则不会 有任何一个粒子产生任何可以识别的影响。平均需要一年的时间，你才有可能遇到一个 WIMP 粒子，被你细胞里的原子核散射，释放出极其微弱的能量。为了有希望检测到这样的事件，物理学家建起了粒子探测器，长期监测大量的液体或者其他物质。天文学 家还在寻找星系中的辐射爆发现象，这可能标志着在星系中盘旋的 WIMP 粒子发生了罕见的碰撞及湮灭事件。寻找WIMP 粒子的第三种方法，则是在地球上的实验室里尝试着去合成它们。
