從以太到暗物質

亞歷山大·弗賴　徐方

暗物質是宇宙中最常見、最難以捉摸的物質。我們能弄明白這個物理學中偉大的、尚未解決的問題嗎？

我坐在華盛頓大學的講臺上跟臺下的人講暗物質，同時也在想，他們是否真的相信這些，甚至是否懷疑我是否真的相信這些。

在科學領域，奧卡姆剃刀原理的解釋是：當兩個處于競爭地位的理論能得出同樣的結論時，那么簡單的那個更好。這一表述也有一種更為常見的形式：如果有兩個原理，它們都能解釋觀測到的事實，那么你應該使用簡單的那個，直到發現更多的證據。對于現象，最簡單的解釋往往比較復雜的解釋更正確。如果你有兩個類似的解決方案，選擇簡單的那個，需要最少假設的解釋最有可能是正確的。

而在宇宙學領域，奧卡姆剃刀可能幫助我們解決不少謎題，比如有關暗物質的假設。只要假設有暗物質存在，就可以解釋很多事實。當發現標準的暗物質理論解釋不了的現象時，我們可以再假設另一個神秘的存在，比如，在標準的暗物質理論中引入“微弱的自我相互作用力”。標準暗物質理論認為，暗粒子碰撞是一種弱散射模式。

我們已經逐漸習慣這樣的認識：自然界的真實性是一個不確定的量子領域，我們所看到的并不一定是它的真實面目。

暗物質是對這個概念的深度擴展，它讓我們意識到，宇宙中的大部分物質藏在我們的認知之外。這使物理學家和公眾憂心忡忡。物理學家擔心無法提出一個可以被明確證實的預測，也不能做出對物質本身的積極的探測。這種情形與一個多世紀前對以太的爭議有著相似之處。

2 0世紀3 0年代， 瑞士天文學家弗里茨· 茲威基觀測到星系團受引力束縛，圍繞彼此快速旋轉，似乎只有“存在一個非常大的、看不見的物團的引力”才能解釋它們為什么沒有簡單地分開旋轉。茲威基非常隨意地假定有某種暗物質存在——他只是覺得存在著他無法看到的事物。天文學家不斷在宇宙中發現存才看不見的物質的證據，例如星系的恒星旋轉速度太快。暗物質似乎是宇宙中最常見的物質形態。

暗物質不與恒星、行星或其他我們已知的普通物質發生強烈的相互作用，科學家只是通過其引力作用推斷出它的存在。傷腦筋的是，引力是基本力中最弱的，卻是唯一重要的遠程力，這解釋了為什么暗物質大規模地主導著宇宙的結構。在過去的半個世紀里，宇宙大爆炸理論很好地描述了我們觀測到的宇宙。這種宇宙論得到了許多觀測數據的支持，包括無處不在的宇宙輻射場、星系在天空中的分布情況和星系團的碰撞。這些強有力的觀測資料綜合了來自天文學許多領域的專業知識和獨立分析，所有數據都強烈支持一個包含暗物質的宇宙論模式。但沒有一個理論能解釋暗物質究竟是什么，這真是物理學中一個尚未解決的巨大問題。

我們正處在一個發現的時代。大部分已被驗證的理論主宰著我們已經觀察到的各種各樣的基本粒子，并支持其他的、迄今尚未被發現的粒子存在。幾十年前，理論物理學家意識到可能存在一種弱相互作用重粒子（WIMP）。這種粒子擁有暗物質的所有適當的特性，并且能夠隱藏在我們的眼皮底下。如果暗物質確實是WIMP，它會與普通物質進行十分微弱的相互作用，以至于我們很難發現，僅僅能夠通過正在進行的暗物質實驗來發現它。在美國南達科他州進行的大型地下氙實驗探測器（LUX）是世界上最大的暗物質探測器，能夠探測到最微量的亞原子粒子。然而，尋找暗物質是一個等待的游戲。到目前為止，探測器只捕獲了宇宙噪聲。不過事情就是這樣，就像英國物理學家約翰·達巴羅所說，宇宙沒有任何理由為我們的方便而設計。

關于暗物質，可能性似乎如下：①暗物質存在；②暗物質不存在；③如果暗物質存在，那么我們可以檢測它或者我們不能檢測它；④如果它不存在，那么我們可以證明它不存在或者我們不能證明它不存在。引導天文學家斷定暗物質存在的觀測數據似乎非常有力，難以被推翻。所以，認為暗物質不存在的人認為，問題出在我們對引力的理解上，是我們的理解存在某些錯誤——它并不像愛因斯坦預言的那樣。

如果真是這樣，那會使如今的物理學發生翻天覆地的改變，所以沒有多少人認同這種說法。不過，如果暗物質存在，我們卻無法檢測到它，那我們將處在一個非常尷尬的位置。

我們正經歷一個宇宙學的黃金時代。在過去的2 0年里，我們測量了大爆炸的殘余輻射，了解到宇宙的膨脹速度正在加快，瞥見了黑洞并且發現了宇宙有史以來最輝煌的爆炸。在接下來的幾十年里，我們可能會觀察到宇宙中的第一代恒星，繪出幾乎完整的物質分布圖，通過引力波“聽到”黑洞的劇烈合并。暗物質則提供了一個獨特的誘人前景，融合了新觀測結果、理論、技術和資金（我們希望）。在我們想要放棄的時候，總有一絲可能性引誘著我們：我們也許只是需要一個更好的實驗。尋找暗物質的方法主要有三類：人工制造（在粒子加速器中）、間接檢測和直接檢測。最令人興奮的是最后一類，研究者試圖在野外捕捉WIMP。LUX是新一代超敏感實驗的頂尖設備，主要探測WIMP 與普通原子核的相互作用。這些檢測目標通常非常單一，例如，將原始的元素鍺或氙冷卻到極低溫度并且屏蔽來自外部的粒子，因為離散的粒子會以任何可能的方式潛入，所以就可以通過密切監測、精確統計闖入粒子的相互作用來確認真正的暗物質相互作用事件。這種相互作用非常弱，檢測起來困難重重。暗物質可能和普通物質一樣復雜。目前尋找暗物質的方法可能忽略了這種復雜性，比如暗物質生命，甚至暗物質化學。通過前面的方法，我們可能發現一種粒子，但只能解釋一小部分預期的暗物質。

從某種意義上說，這已經發生了。中微子難以捉摸，但普遍存在（每秒有6 0 0億中微子通過你小指大小的區域）。它們幾乎不與普通物質相互作用，完全沒有質量。中微子構成了大規模宇宙的一小部分，表現得像一種奇怪的暗物質。當然，中微子不是暗物質，但間接證明了可能存在不同類型的暗物質。

我們正處于一個對未知充滿強烈興趣的時代。物理學家說，如果我們確定暗物質并不是WIMP，我們就已取得了一些成績。這不是一個發現嗎？一些人正在探索暗物質的相互作用，但這種相互作用我們可能永遠不會知情。因為暗物質的相互作用極其微小，不會影響標準宇宙學理論。它甚至會有自己奇異的宇宙，一個黑暗的領域。這種可能性使物理學家既害怕又欣喜若狂：可能存在一個錯綜復雜的暗物質領域，能逃避我們的仔細觀察，就像一個平行宇宙。

修正暗物質的基本思想是比較容易的，這正是所有暗物質理論學者從事的工作。我一直認為，暗物質可能進行了自我相互作用，并利用超級計算機模擬星系來驗證。在宏觀上，宇宙學已做出了明確的預測，這一修正沒起作用。但在微觀上，暗物質理論有了動搖的跡象，它有助于解決幾個問題。模擬實驗看上去很巧妙，能做出可被接受的預測。然而自由參數太多了——科學家稱之為微調——這樣的結果似乎完全符合觀測數據。我們可能永遠也不確定暗物質是否存在自我相互作用。這就是我持保留意見的原因，你最好也這樣做。

我們也許可以推測出這種相互作用的強度上限。所以，每當有人問我是否認為暗物質的自相互作用是正確的，我說不是，我只是闡述一種可能性，不對這種可能性下斷言。也許有一天，LUX 或者它的一個競爭對手可能發現它們尋找的東西，或者，我可能在一些不起眼的超級計算機中發現暗物質某個隱藏的真相。無論如何，這樣的發現離我們太遠，因為這似乎要經過好幾層超級計算機的模擬。暗物質宇宙是我們宇宙的一部分，但我們永遠不會認為它像我們的宇宙。自然對所有人玩了一個認識論的把戲。我們觀察到的每一種事物都有一種存在，但我們不能觀察到的事物可能有無限種存在。一個好的理論應該是足夠復雜的。暗物質是對一個復雜理論最簡單的解決方式，而不是對一個簡單理論最復雜的解決方式。這不能保證它會成功。天體物理學家能否在概念意義上發現它，永遠也不會掌握在我們手中，它游離在掌控之外。無論如何，生活在一個大部分都未知的宇宙，就好像生活在一個可能性無窮的王國。