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暗宇宙里的隱秘生活

暗宇宙里的隱秘生活

時(shí)間:2010-12-15 10:58 來(lái)源:《環(huán)球科學(xué)》2010年第12期
暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成的“暗宇宙”,與我們的宇宙交織在一起。雖然看不見(jiàn)也摸不著,但暗宇宙中的暗居民們或許過(guò)著跟我們一樣豐富精彩的隱秘生活。
  

▲暗物質(zhì)通過(guò)引力將宇宙塑造成了一個(gè)由星系構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。理論學(xué)家現(xiàn)在猜測(cè),暗物質(zhì)或許還會(huì)施加其他作用力。這張圖片來(lái)源于2005 年的千禧模擬(Millennium Simulation)項(xiàng)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(tuán)的運(yùn)動(dòng)方式,就好像它們受到了不可見(jiàn)物質(zhì)引力的牽引。二是放射性衰變之類(lèi)的過(guò)程提出的難題,可以用一些迄今未知的粒子來(lái)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(jiàn)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(shuō),這是常見(jiàn)的假設(shè)。暗物質(zhì)有沒(méi)有可能實(shí)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(guò)一大堆作用力發(fā)生互動(dòng),其中就包括某種我們的眼睛完全不可見(jiàn)的“光”。




     1846 年9 月23 日,德國(guó)柏林天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)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(jìn)程的信。寄這封信的是一個(gè)法國(guó)人,名叫于爾班·勒威耶(Urbain Le Verrier)。他一直在研究天王星(Uranus)的運(yùn)動(dòng),得出了如下結(jié)論——天王星的軌跡無(wú)法用當(dāng)時(shí)已知的、作用于其上的引力來(lái)完全解釋。于是勒威 耶提出,必定存在一個(gè)當(dāng)時(shí)尚未觀測(cè)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(cè)到的異常運(yùn)動(dòng)。就在當(dāng)天晚上,伽勒將望遠(yuǎn)鏡瞄向了勒 威耶指明的方向,發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)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(cè)到宇宙中的異常運(yùn)動(dòng),推測(cè)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(yùn)動(dòng),扮演海王星角色的則是我們推斷存在卻迄今未能 觀測(cè)到的東西,現(xiàn)在暫時(shí)被稱(chēng)為暗物質(zhì)(dark matter)和暗能量(dark energy)。根據(jù)我們看到的那幾類(lèi)異?,F(xiàn)象,我們能夠搜集到一些與它們有關(guān)的基本事實(shí)。暗物質(zhì)似乎是一片不可見(jiàn)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(méi)能再現(xiàn)伽勒當(dāng)年的壯舉——將望遠(yuǎn)鏡指向天空便明確無(wú)誤地瞥見(jiàn)了未被看到的目 標(biāo),但令人心動(dòng)的線索及暗示,比如粒子探測(cè)器里的神秘信號(hào),數(shù)量卻在不斷增長(zhǎng)。

     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(huì)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(kāi)始考慮這樣一種可能性——暗物質(zhì)并非只是為解釋可見(jiàn)物質(zhì)異常運(yùn)動(dòng)而發(fā)明出來(lái)的抽象概念,而是宇宙隱藏起來(lái)的另一面,內(nèi)部有著豐富精彩的活動(dòng)。它或許 由許多種不同的粒子構(gòu)成,通過(guò)自然界中的全新作用力發(fā)生相互作用——這樣一個(gè)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(zhǎng)“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(lái),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(cè)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(tuán)全都被巨大的暗物質(zhì)球包裹,天文學(xué)家稱(chēng)之為“暗物質(zhì)暈”(dark matter halo)。如此大量的物質(zhì)居然能避開(kāi)直接檢測(cè),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(dòng)、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(jìn)來(lái)。普通物質(zhì)由于擁有一系列豐富多樣的互動(dòng)能力而發(fā)展出了錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu),毫無(wú)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(lái),暗能量就完全沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何變化。

     推動(dòng)人們對(duì)“暗物質(zhì)可能會(huì)更有生氣”產(chǎn)生預(yù)期的,與其說(shuō)是天文學(xué)研究,倒不如說(shuō)是對(duì)原子內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制和亞原子粒子微觀世界的細(xì)致探索。粒子物理學(xué)家有這樣 一個(gè)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(dú)立于宇宙中異常運(yùn)動(dòng)的另一條線索。對(duì)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(shí)的意大利理論學(xué)家恩里科· 費(fèi)米(Enrico Fermi) 假定,自然界中存在一種新的作用力和一類(lèi)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(lèi)似于電磁力(electromagnetism), 新的粒子則類(lèi)似于光子(photon)—— 不過(guò)有一點(diǎn)不同,而且至關(guān)重要。光子沒(méi)有質(zhì)量,因而運(yùn)動(dòng)能力超強(qiáng),費(fèi)米卻主張這些新粒子必須很重。它們的質(zhì)量會(huì)限制它們的活動(dòng)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(wú)法在其他情況下被人察覺(jué)。為了能夠再現(xiàn)出觀測(cè)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(chēng)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(yàn)來(lái)推測(cè),它們不應(yīng)該有這么重才對(duì)。這么大的質(zhì)量暗示,有東 西在對(duì)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(Large Hadron Collider,LHC)的一項(xiàng)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(shí)上,物理學(xué)家認(rèn)為排著隊(duì)等待被發(fā)現(xiàn)的粒子或許多達(dá)好幾十種——按照所謂的超對(duì)稱(chēng)(supersymmetry)原理,每種已知粒子都 有一種未知粒子與它對(duì)應(yīng)。在這些假想的粒子當(dāng)中,有一大類(lèi)被統(tǒng)稱(chēng)為弱相互作用大質(zhì)量粒子(weakly interacting massive particle,WIMP)。之所以起這個(gè)名字,是因?yàn)檫@些粒子只通過(guò)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(jiàn)的,也幾乎不會(huì)對(duì)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(guò),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(diǎn)真正吸引眼球之處。與其他任何種類(lèi)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(shí)刻,都會(huì)有一定數(shù)量的WIMP 粒子存在。這一數(shù)量會(huì)隨時(shí)間而變,具體取決于受宇宙膨脹驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)相互抵觸的效應(yīng)。第一個(gè)效應(yīng)是宇宙這鍋“原湯”的冷卻,這會(huì)降低可用于產(chǎn)生WIMP 粒子的能量,因此它們的數(shù)量會(huì)減少。第二個(gè)效應(yīng)是粒子的稀釋?zhuān)@會(huì)降低粒子碰撞發(fā)生的頻率,直到碰撞實(shí)際上不再發(fā)生為止。到了此時(shí),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(lái)。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。

 

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