隱形的宇宙：太空中含有多少暗物質(zhì)與暗能量
有真實(shí)存在的東西當(dāng)中，我們能夠看見的只占極小的一部分。為了一窺我們周圍這個(gè)隱形的宇宙，科學(xué)家正嘗試探測(cè)我們無法看見的其他東西：暗物質(zhì)與暗能量。
從前人們常說，宇宙學(xué)家，也就是研究宇宙整體的科學(xué)家，「經(jīng)常出錯(cuò)，卻從不疑惑」。
現(xiàn)在他們較不常出錯(cuò)了，但疑惑卻愈滾愈大。運(yùn)用更新更好的望遠(yuǎn)鏡、光偵測(cè)器和電腦進(jìn)行了數(shù)十年的研究之后，宇宙學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)可以帶點(diǎn)把握地說，宇宙是138.2億年前誕生的，最初應(yīng)該是一顆比原子還要小的氣泡。他們首度以超過0.001的準(zhǔn)確度繪制出宇宙的背景輻射――也就是宇宙只有37萬8000歲時(shí)釋放出來的光。
但他們也得到這樣的結(jié)論：天空中可見的所有恒星及星系，只占了整個(gè)可觀察宇宙的5%?？床灰姷哪且淮蟛糠謩t是27%的暗物質(zhì)與68%的暗能量。兩者都是謎團(tuán)。組成宇宙宏觀架構(gòu)的是星系，而一般認(rèn)為，有著發(fā)光的圓盤與旋臂的星系是由暗物質(zhì)塑造出來的――但卻沒有人知道暗物質(zhì)是什么。暗能量就更神秘了。科學(xué)家造了這個(gè)詞，用以代表加快宇宙膨脹速度的不知什么東西。有人說：「宇宙中任何我們不了解的巨觀特性，都統(tǒng)稱為暗能量。」
因此，今日的宇宙學(xué)者發(fā)現(xiàn)自己陷入了與當(dāng)年的美國(guó)總統(tǒng)杰佛遜相似的無知中。 1804年，杰佛遜曾叮囑探險(xiǎn)家路易斯與克拉克要小心長(zhǎng)毛象。杰佛遜和他那個(gè)時(shí)代的人只知道，從密西西比河到太平洋之間的北美洲很大、很重要，但他們對(duì)于可能生存在那里的生物卻只有隱約的概念。
最早對(duì)暗物質(zhì)無所不在的概念產(chǎn)生初步想法的，是瑞士天文學(xué)家弗里茨．茨威基。 1930年代，在南加州的威爾遜山天文臺(tái)工作時(shí)，茨威基測(cè)量了距離地球3億2100萬光年的后發(fā)座星系團(tuán)中的星系繞著星系團(tuán)中心旋轉(zhuǎn)的速度。根據(jù)他的計(jì)算，除非這個(gè)星系團(tuán)含有的物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于可見之物，否則這些星系應(yīng)該早就被拋到太空里去了。他因此推測(cè)，后發(fā)座星系團(tuán)能夠存在數(shù)十億年，只有一種可能：「宇宙中存在的暗物質(zhì)密度遠(yuǎn)高于可見物質(zhì)?！购髞淼难芯匡@示，若不是暗物質(zhì)產(chǎn)生的重力在宇宙還很年輕的時(shí)候?qū)⒊跎奈镔|(zhì)聚集在一起，星系根本不會(huì)形成。
暗物質(zhì)不可能只是不容易看到的普通物質(zhì)，因?yàn)槠胀ㄎ镔|(zhì)的量沒有那么大。宇宙中確實(shí)有數(shù)以兆計(jì)由普通物質(zhì)構(gòu)成并且較為黯淡無光的物體――包括黑洞、矮星、冷氣體云、從誕生地被拋擲出來的流浪行星――但是在任何可能為真的狀況下，它們加起來的總質(zhì)量都不會(huì)是發(fā)光物質(zhì)的五倍。因此科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)一定是更不尋常的東西。研究「超對(duì)稱量子物理學(xué)」的理論學(xué)者想出了各式各樣未曾觀察到的物質(zhì)形態(tài)，其中也許有一種（或多種）最后會(huì)被證明是暗物質(zhì)。但歐洲核物理研究中心（CERN）位于瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最近得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已排除了幾種超對(duì)稱理論的可能。一位理論家說，他們的心情「頗為沉重」。與其臆測(cè)暗物質(zhì)的確切身分，尋找暗物質(zhì)的大部分科學(xué)家只會(huì)說他們?cè)趯ふ摇复筚|(zhì)量弱作用粒子」（簡(jiǎn)稱WIMP）。
暗物質(zhì)不僅不怎么和普通物質(zhì)相互作用，連和暗物質(zhì)之間的相互作用都很微弱。證據(jù)出現(xiàn)在距離地球30億光年的「子彈星系團(tuán)」――但它其實(shí)是兩個(gè)對(duì)撞中的星系團(tuán)。天文學(xué)家借助美國(guó)航太總署的錢卓拉X光太空天文臺(tái)測(cè)繪子彈星系團(tuán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)星系團(tuán)中央有大團(tuán)大團(tuán)的熱氣，以為是普通物質(zhì)形成的云團(tuán)互相碰撞形成的。但當(dāng)他們繪制子彈星系團(tuán)的重力場(chǎng)時(shí)，卻在距離碰撞中心較遠(yuǎn)的地方發(fā)現(xiàn)了另外兩大團(tuán)物質(zhì)，分??別屬于原來的兩個(gè)星系。他們推斷，盡管這兩個(gè)星系由普通物質(zhì)構(gòu)成的框架像兩臺(tái)彈藥車般轟轟烈烈地碰撞融合，它們所運(yùn)載的、更為沉重的暗物質(zhì)，卻以事不關(guān)己的姿態(tài)毫發(fā)無傷地穿過這場(chǎng)混戰(zhàn)。
暗物質(zhì)這種置身事外的特性讓實(shí)驗(yàn)者很難捕捉到它們――即便它們像某些科學(xué)家推測(cè)的那樣，多到每秒鐘都有好幾十億個(gè)暗物質(zhì)粒子從每個(gè)人身上穿過也一樣。目前運(yùn)轉(zhuǎn)中的暗物質(zhì)偵測(cè)器使用的科技都精細(xì)無比，簡(jiǎn)直就像是著名工匠法貝熱精雕細(xì)琢的珠寶彩蛋，供未來的考古學(xué)家細(xì)細(xì)研究。
其中一個(gè)是造價(jià)20億美元的阿爾法磁譜儀，它設(shè)在國(guó)際太空站上，負(fù)責(zé)搜尋暗物質(zhì)粒子在靠近銀河系中心碰撞的證據(jù)。但其他大部分偵測(cè)器都在地球上尋找暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)粒子相互作用的跡證。它們都深埋地底，好讓來自太空的高速普通物質(zhì)粒子造成的干擾降到最低。某些由極度冷卻的晶體構(gòu)成，某些則是整缸液態(tài)氙或液態(tài)氬，周圍全是偵測(cè)器以及層層疊疊的防護(hù)材料，從聚乙烯到銅乃至鉛都有。
?。▌傞_采出來的鉛通常具有輕微的放射性，因此分別在美國(guó)明尼蘇達(dá)州蘇旦與義大利拉奎拉進(jìn)行的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是把古羅馬沉船里的壓艙物取出來融化使用。由于是好幾千年前開采出來的，這些老鉛的放射性較低。）
美國(guó)的「大型地底氙偵測(cè)器」是同類儀器中最靈敏的一座，設(shè)于南達(dá)科塔州的??利德市，地點(diǎn)在大街旁，必須搭乘電梯直下地底1478公尺處。它從2013年開始運(yùn)轉(zhuǎn)，但一無所獲，目前正以更高的靈敏度重新展開偵測(cè)。其他偵測(cè)找到了虛無飄渺的線索，但始終沒有人找到暗物質(zhì)的明確證據(jù)。目前關(guān)機(jī)維修升級(jí)中的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)預(yù)計(jì)在2015 年重新啟動(dòng)，也許可以達(dá)到足夠的能階，產(chǎn)生一些暗物質(zhì)粒子。但成功的機(jī)率很難估計(jì)，因?yàn)榭茖W(xué)家還不十分了解這些大家都想找到的粒子的質(zhì)量。捕捉大質(zhì)量弱作用粒子這種事，不是弱者能做的。
暗物質(zhì)之謎再怎么怪異，和暗能量的神秘現(xiàn)象一比，就幾乎顯得平凡無奇了。物理學(xué)家史蒂芬．溫柏格稱暗能量為「物理學(xué)的核心問題」，天文物理學(xué)家麥可．透納則將暗能量喻為「所有科學(xué)領(lǐng)域最深?yuàn)W的謎團(tuán)」。
透納在兩組天文學(xué)家于1998年宣布宇宙似乎正在加速擴(kuò)張之后，發(fā)明了「暗能量」這個(gè)名詞。天文學(xué)家之所以得到這個(gè)結(jié)論，是因?yàn)樗麄冄芯苛艘恍┍l(fā)的恒星，它們都屬于某個(gè)特定類別，亮度不僅大到可以從遠(yuǎn)方看見，也穩(wěn)定到可以用來測(cè)繪遙遠(yuǎn)星系的距離。所有星系之間的重力吸引會(huì)減低宇宙擴(kuò)張的速度，因此天文學(xué)家原本預(yù)期宇宙擴(kuò)張的速度是趨緩的。但他們卻發(fā)現(xiàn)事實(shí)恰恰相反：宇宙擴(kuò)張的速度愈來愈快，而且已經(jīng)持續(xù)了50到60億年。
今日的觀測(cè)者正忙于以前所未有的精確度描繪宇宙的樣貌，尋找暗能量出現(xiàn)時(shí)間的證據(jù)、了解它出現(xiàn)后的強(qiáng)度是維持恒定還是不斷增強(qiáng)。他們有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是能夠窺見過去：當(dāng)研究員研究一個(gè)距離地球數(shù)十億光年的星系時(shí)，他們看到的是它數(shù)十億年前的樣貌。但他們也受限于望遠(yuǎn)鏡及數(shù)位偵測(cè)器的功能。現(xiàn)在和從前一樣，想寫出更精準(zhǔn)的宇宙史，就必須打造更好的裝備。
「重子震蕩光譜巡天」計(jì)畫回應(yīng)了這樣的需求。它使用美國(guó)新墨西哥州阿帕契山頂一座2.5公尺的天文望遠(yuǎn)鏡，以史無前例的1%精度測(cè)量天體的距離。與此同時(shí)，「暗能量巡天」計(jì)畫則使用智利安地斯山區(qū)的布蘭科4公尺望遠(yuǎn)鏡搜集3億個(gè)星系的資料。歐洲太空總署預(yù)計(jì)在2020年發(fā)射的歐基里德太空望遠(yuǎn)鏡，是為了準(zhǔn)確測(cè)量過去100億年來的宇宙動(dòng)力學(xué)而設(shè)計(jì)的?？茖W(xué)家對(duì)「大型完備巡天望遠(yuǎn)鏡」（LSST）也寄予厚望，它目前還在智利中北部建造當(dāng)中，距離布蘭科望遠(yuǎn)鏡只有幾公里遠(yuǎn)。外型粗短、光學(xué)速度很快的LSST的口徑有8.4公尺，裝配了有史以來最大的數(shù)位相機(jī)，設(shè)計(jì)目的是為了重復(fù)拍攝可觀測(cè)宇宙的深處，每個(gè)月拍攝南半球夜空多達(dá)十次。
有了這樣的工具，宇宙學(xué)家希望能經(jīng)由直接測(cè)量宇宙過去的擴(kuò)張速率，重建暗能量出現(xiàn)與其所造成影響的來龍去脈。這可能攸關(guān)到宇宙的未來以及其研究。如果我們是活在一個(gè)愈來愈為暗能量所支配的「失控宇宙」里，那么大多數(shù)星系之間的距離只會(huì)愈來愈遠(yuǎn)，終有一天達(dá)到無法互見的程度，讓遙遠(yuǎn)未來的宇宙學(xué)家只剩下附近的星系以及黑暗的太空可以觀察。
而在沒那么遙遠(yuǎn)的未來，想理解暗物質(zhì)，可能必須徹底改變我們思考太空的方式。盡管牛頓曾經(jīng)承認(rèn)，他無法想像地球與太陽之間若是完全真空，重力如何能讓地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)，但我們長(zhǎng)久以來還是認(rèn)為行星與恒星之間的虛空內(nèi)什么也沒有。到了20世紀(jì)，量子場(chǎng)論化解困局，證明太空從來不曾處于真空，而是布滿了無所不在的量子場(chǎng)。質(zhì)子、電子和常被形容為構(gòu)成物質(zhì)的基本單位的其他粒子，本身就是量子場(chǎng)的激發(fā)態(tài)。當(dāng)量子場(chǎng)接近最小能階時(shí)，空間里看似空無一物。但當(dāng)量子場(chǎng)被激發(fā)，空間里就有了可見的物質(zhì)與能量。數(shù)學(xué)家魯西亞諾．波伊將太空比擬成一座平靜高山湖泊里的水：無波時(shí)看不到它的存在，但當(dāng)微風(fēng)在它表面掀起漣漪時(shí)，馬上就現(xiàn)形了。 「太空其實(shí)并不空，」美國(guó)物理學(xué)家約翰．阿奇伯德．惠勒說過。 「這里上演著最豐富、最令人驚奇的物理現(xiàn)象?！?br>
暗能量也許能證明，惠勒對(duì)最巨觀的問題提出了正確的預(yù)言。物理學(xué)家在試圖了解宇宙空間如何擴(kuò)張、擴(kuò)張速度為何似乎愈來愈快時(shí)，仰賴的主要是愛因斯坦在一個(gè)世紀(jì)以前提出的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論適用于巨觀問題，但在處理微觀問題時(shí)就不管用了。微觀宇宙由量子理論主宰，而一般認(rèn)為宇宙加速擴(kuò)張的根本原因也存在微觀宇宙。想解釋暗能量，可能需要一種新的東西：空間與重力的量子理論。
科學(xué)家面臨一個(gè)尷尬的事實(shí)：他們不知道太空中究竟含有多少能量，不管是不是「暗」的。舉個(gè)例子，當(dāng)量子理論家嘗試計(jì)算1公升看似什么都沒有的空間里究竟有多少能量時(shí)，他們得出一個(gè)極大的數(shù)字。但當(dāng)天文學(xué)家根據(jù)他們對(duì)暗能量的觀察推算同一個(gè)空間里的能量時(shí)，卻得到一個(gè)很小的數(shù)字。這兩個(gè)數(shù)字的差距大得驚人??：是10的121次方，也就是1后面再加121個(gè)零，遠(yuǎn)大于可見宇宙中的恒星數(shù)量或地球上的沙粒。這是整個(gè)科學(xué)史上理論與觀察之間出現(xiàn)過的最大落差。很明顯，對(duì)于空間，因此也可以說是對(duì)于一切，因?yàn)樾窍怠⒑阈?、行星與人類大部分都是由空間構(gòu)成的，我們還有根本而重要的環(huán)節(jié)需要厘清。
然而，這種謎團(tuán)也曾在過去為我們開啟發(fā)現(xiàn)之門。愛因斯坦之所以提出廣義相對(duì)論，有一部分是為了解釋預(yù)測(cè)中和實(shí)際觀察到的水星軌道之間的細(xì)微差異。量子物理學(xué)之所以問世，有一部分是為了解答有關(guān)熱輻射的小謎團(tuán)。那么，解決今日這些關(guān)于暗物質(zhì)與暗能量的更大謎團(tuán)，可以讓我們有多少發(fā)現(xiàn)？就像物理學(xué)家尼爾斯．波耳常說的：「沒有矛盾，就沒有進(jìn)步。」
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
