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隐形的宇宙:太空中含有多少暗物质与暗能量
隐形的宇宙:太空中含有多少暗物质与暗能量

        有真实存在的东西当中,我们能够看见的只占极小的一部分。为了一窥我们周围这个隐形的宇宙,科学家正尝试探测我们无法看见的其他东西:暗物质与暗能量。
  从前人们常说,宇宙学家,也就是研究宇宙整体的科学家,「经常出错,却从不疑惑」。
  现在他们较不常出错了,但疑惑却愈滚愈大。运用更新更好的望远镜、光侦测器和电脑进行了数十年的研究之后,宇宙学家现在已经可以带点把握地说,宇宙是138.2亿年前诞生的,最初应该是一颗比原子还要小的气泡。他们首度以超过0.001的准确度绘制出宇宙的背景辐射――也就是宇宙只有37万8000岁时释放出来的光。
  但他们也得到这样的结论:天空中可见的所有恒星及星系,只占了整个可观察宇宙的5%。看不见的那一大部分则是27%的暗物质与68%的暗能量。两者都是谜团。组成宇宙宏观架构的是星系,而一般认为,有着发光的圆盘与旋臂的星系是由暗物质塑造出来的――但却没有人知道暗物质是什么。暗能量就更神秘了。科学家造了这个词,用以代表加快宇宙膨胀速度的不知什么东西。有人说:「宇宙中任何我们不了解的巨观特性,都统称为暗能量。」

  因此,今日的宇宙学者发现自己陷入了与当年的美国总统杰佛逊相似的无知中。 1804年,杰佛逊曾叮嘱探险家路易斯与克拉克要小心长毛象。杰佛逊和他那个时代的人只知道,从密西西比河到太平洋之间的北美洲很大、很重要,但他们对于可能生存在那里的生物却只有隐约的概念。
  最早对暗物质无所不在的概念产生初步想法的,是瑞士天文学家弗里茨.茨威基。 1930年代,在南加州的威尔逊山天文台工作时,茨威基测量了距离地球3亿2100万光年的后发座星系团中的星系绕着星系团中心旋转的速度。根据他的计算,除非这个星系团含有的物质远远多于可见之物,否则这些星系应该早就被抛到太空里去了。他因此推测,后发座星系团能够存在数十亿年,只有一种可能:「宇宙中存在的暗物质密度远高于可见物质。」后来的研究显示,若不是暗物质产生的重力在宇宙还很年轻的时候将初生的物质聚集在一起,星系根本不会形成。

  暗物质不可能只是不容易看到的普通物质,因为普通物质的量没有那么大。宇宙中确实有数以兆计由普通物质构成并且较为黯淡无光的物体――包括黑洞、矮星、冷气体云、从诞生地被抛掷出来的流浪行星――但是在任何可能为真的状况下,它们加起来的总质量都不会是发光物质的五倍。因此科学家认为,暗物质一定是更不寻常的东西。研究「超对称量子物理学」的理论学者想出了各式各样未曾观察到的物质形态,其中也许有一种(或多种)最后会被证明是暗物质。但欧洲核物理研究中心(CERN)位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机最近得到的实验结果已排除了几种超对称理论的可能。一位理论家说,他们的心情「颇为沉重」。与其臆测暗物质的确切身分,寻找暗物质的大部分科学家只会说他们在寻找「大质量弱作用粒子」(简称WIMP)。

      暗物质不仅不怎么和普通物质相互作用,连和暗物质之间的相互作用都很微弱。证据出现在距离地球30亿光年的「子弹星系团」――但它其实是两个对撞中的星系团。天文学家借助美国航太总署的钱卓拉X光太空天文台测绘子弹星系团时,发现这个星系团中央有大团大团的热气,以为是普通物质形成的云团互相碰撞形成的。但当他们绘制子弹星系团的重力场时,却在距离碰撞中心较远的地方发现了另外两大团物质,分??别属于原来的两个星系。他们推断,尽管这两个星系由普通物质构成的框架像两台弹药车般轰轰烈烈地碰撞融合,它们所运载的、更为沉重的暗物质,却以事不关己的姿态毫发无伤地穿过这场混战。

  暗物质这种置身事外的特性让实验者很难捕捉到它们――即便它们像某些科学家推测的那样,多到每秒钟都有好几十亿个暗物质粒子从每个人身上穿过也一样。目前运转中的暗物质侦测器使用的科技都精细无比,简直就像是著名工匠法贝热精雕细琢的珠宝彩蛋,供未来的考古学家细细研究。

  其中一个是造价20亿美元的阿尔法磁谱仪,它设在国际太空站上,负责搜寻暗物质粒子在靠近银河系中心碰撞的证据。但其他大部分侦测器都在地球上寻找暗物质粒子和普通物质粒子相互作用的迹证。它们都深埋地底,好让来自太空的高速普通物质粒子造成的干扰降到最低。某些由极度冷却的晶体构成,某些则是整缸液态氙或液态氩,周围全是侦测器以及层层叠叠的防护材料,从聚乙烯到铜乃至铅都有。
  (刚开采出来的铅通常具有轻微的放射性,因此分别在美国明尼苏达州苏旦与义大利拉奎拉进行的两个实验是把古罗马沉船里的压舱物取出来融化使用。由于是好几千年前开采出来的,这些老铅的放射性较低。)

  美国的「大型地底氙侦测器」是同类仪器中最灵敏的一座,设于南达科塔州的??利德市,地点在大街旁,必须搭乘电梯直下地底1478公尺处。它从2013年开始运转,但一无所获,目前正以更高的灵敏度重新展开侦测。其他侦测找到了虚无飘渺的线索,但始终没有人找到暗物质的明确证据。目前关机维修升级中的大型强子对撞机预计在2015 年重新启动,也许可以达到足够的能阶,产生一些暗物质粒子。但成功的机率很难估计,因为科学家还不十分了解这些大家都想找到的粒子的质量。捕捉大质量弱作用粒子这种事,不是弱者能做的。

    暗物质之谜再怎么怪异,和暗能量的神秘现象一比,就几乎显得平凡无奇了。物理学家史蒂芬.温柏格称暗能量为「物理学的核心问题」,天文物理学家麦可.透纳则将暗能量喻为「所有科学领域最深奥的谜团」。
  透纳在两组天文学家于1998年宣布宇宙似乎正在加速扩张之后,发明了「暗能量」这个名词。天文学家之所以得到这个结论,是因为他们研究了一些爆发的恒星,它们都属于某个特定类别,亮度不仅大到可以从远方看见,也稳定到可以用来测绘遥远星系的距离。所有星系之间的重力吸引会减低宇宙扩张的速度,因此天文学家原本预期宇宙扩张的速度是趋缓的。但他们却发现事实恰恰相反:宇宙扩张的速度愈来愈快,而且已经持续了50到60亿年。

  今日的观测者正忙于以前所未有的精确度描绘宇宙的样貌,寻找暗能量出现时间的证据、了解它出现后的强度是维持恒定还是不断增强。他们有一个优势,就是能够窥见过去:当研究员研究一个距离地球数十亿光年的星系时,他们看到的是它数十亿年前的样貌。但他们也受限于望远镜及数位侦测器的功能。现在和从前一样,想写出更精准的宇宙史,就必须打造更好的装备。

  「重子震荡光谱巡天」计画回应了这样的需求。它使用美国新墨西哥州阿帕契山顶一座2.5公尺的天文望远镜,以史无前例的1%精度测量天体的距离。与此同时,「暗能量巡天」计画则使用智利安地斯山区的布兰科4公尺望远镜搜集3亿个星系的资料。欧洲太空总署预计在2020年发射的欧基里德太空望远镜,是为了准确测量过去100亿年来的宇宙动力学而设计的。科学家对「大型完备巡天望远镜」(LSST)也寄予厚望,它目前还在智利中北部建造当中,距离布兰科望远镜只有几公里远。外型粗短、光学速度很快的LSST的口径有8.4公尺,装配了有史以来最大的数位相机,设计目的是为了重复拍摄可观测宇宙的深处,每个月拍摄南半球夜空多达十次。

  有了这样的工具,宇宙学家希望能经由直接测量宇宙过去的扩张速率,重建暗能量出现与其所造成影响的来龙去脉。这可能攸关到宇宙的未来以及其研究。如果我们是活在一个愈来愈为暗能量所支配的「失控宇宙」里,那么大多数星系之间的距离只会愈来愈远,终有一天达到无法互见的程度,让遥远未来的宇宙学家只剩下附近的星系以及黑暗的太空可以观察。
     而在没那么遥远的未来,想理解暗物质,可能必须彻底改变我们思考太空的方式。尽管牛顿曾经承认,他无法想像地球与太阳之间若是完全真空,重力如何能让地球绕着太阳旋转,但我们长久以来还是认为行星与恒星之间的虚空内什么也没有。到了20世纪,量子场论化解困局,证明太空从来不曾处于真空,而是布满了无所不在的量子场。质子、电子和常被形容为构成物质的基本单位的其他粒子,本身就是量子场的激发态。当量子场接近最小能阶时,空间里看似空无一物。但当量子场被激发,空间里就有了可见的物质与能量。数学家鲁西亚诺.波伊将太空比拟成一座平静高山湖泊里的水:无波时看不到它的存在,但当微风在它表面掀起涟漪时,马上就现形了。 「太空其实并不空,」美国物理学家约翰.阿奇伯德.惠勒说过。 「这里上演着最丰富、最令人惊奇的物理现象。」

  暗能量也许能证明,惠勒对最巨观的问题提出了正确的预言。物理学家在试图了解宇宙空间如何扩张、扩张速度为何似乎愈来愈快时,仰赖的主要是爱因斯坦在一个世纪以前提出的广义相对论。广义相对论适用于巨观问题,但在处理微观问题时就不管用了。微观宇宙由量子理论主宰,而一般认为宇宙加速扩张的根本原因也存在微观宇宙。想解释暗能量,可能需要一种新的东西:空间与重力的量子理论。

  科学家面临一个尴尬的事实:他们不知道太空中究竟含有多少能量,不管是不是「暗」的。举个例子,当量子理论家尝试计算1公升看似什么都没有的空间里究竟有多少能量时,他们得出一个极大的数字。但当天文学家根据他们对暗能量的观察推算同一个空间里的能量时,却得到一个很小的数字。这两个数字的差距大得惊人??:是10的121次方,也就是1后面再加121个零,远大于可见宇宙中的恒星数量或地球上的沙粒。这是整个科学史上理论与观察之间出现过的最大落差。很明显,对于空间,因此也可以说是对于一切,因为星系、恒星、行星与人类大部分都是由空间构成的,我们还有根本而重要的环节需要厘清。
  然而,这种谜团也曾在过去为我们开启发现之门。爱因斯坦之所以提出广义相对论,有一部分是为了解释预测中和实际观察到的水星轨道之间的细微差异。量子物理学之所以问世,有一部分是为了解答有关热辐射的小谜团。那么,解决今日这些关于暗物质与暗能量的更大谜团,可以让我们有多少发现?就像物理学家尼尔斯.波耳常说的:「没有矛盾,就没有进步。」
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