我們的宇宙是由什么構成的？

梅麗莎·霍根布姆+高鵬

如果一個外星人設法從另一個平行宇宙造訪我們的宇宙，很可能根本不會注意到我們的存在。

從某種意義上說，這是顯而易見的：宇宙太大了，而地球只不過是一個微不足道的、淡藍色的小點而已。但比這更糟的是：外星人可能無視所有的恒星，以及圍繞恒星運轉的行星，甚至可能對飄過太空的那些巨大的塵埃云也視而不見。

但是，所有這些我們熟悉的東西，僅僅占宇宙物質的很小一部分。宇宙中剩下的部分是由某些其他“東西”構成的，這種“東西”是地球人類從未看到過的。

物理學家將這種“東西”稱為“暗物質”。如果宇宙中沒有暗物質的存在，那么宇宙中的星系就會飛散而去。沒有人知道暗物質究竟是什么，但物理學家正在熱切地追尋其蹤跡。

你所看到的身邊的一切——從你的身體，到你站立的這顆行星， 以及天空中的點點繁星——都是由原子構成的。所有這些原子又是由更小的粒子，如質子和中子構成的，而這些粒子中的很多還可以進一步分解。

茲威基是一個瘋狂的理論家，他把自己能夠觀測到的所有的力都加在一起，發現還是不足以解釋事實。

20世紀初，當物理學家開始了解原子的組成時，似乎我們即將參透宇宙中所有物質的本質。但是在1933年，一位名叫弗里茨·茲威基的瑞士天文學家提出，宇宙的絕大部分必定是由某種完全不同的物質組成的。他將星系群中所有他能觀測到的物質的質量加在一起，發現這些質量所能產生的引力強度，不足以將星系聚攏在一起。

“同時，茲威基觀測到的星系都‘轉得太快了，以至于在如此快的轉速下，它們早就應該把自己給甩出去，分布在宇宙的各個角落了。”英國杜倫大學的理查德·梅西說，“宇宙中的每一個星系都像是一個旋轉過快的旋轉木馬，上面的乘客都將被甩出去！”

茲威基意識到，宇宙中必定還有其他物質，一些他無法直接觀測到，但擁有足夠強大的引力，從而將星系攏在一起的物質。他將這種未知的物質形態稱為“暗”。

在當時，他被認為是一個怪人，而他的理論也沒有得到認真對待。直到20世紀70年代，天文學家薇拉·魯賓發現我們附近星系的旋轉方式有些不對勁。

這些星系中一定有某種東西在起作用，從而阻止了恒星飛離星系。

在我們的太陽系中，有一個簡單的法則：一顆行星距離太陽越遠，太陽引力對它的作用就越弱。因此，這顆行星將運行得更慢，其公轉一周會花費更長的時間。同樣的法則應當也適用于圍繞星系中心運行的恒星：隨著引力作用的減弱，離星系中心最遠的恒星的運行速度也應該是最慢的。

然而，魯賓發現，距離星系中心最遠的恒星與星系中心附近的恒星運行得一樣快。魯賓認為，這些星系中一定有某種東西在起作用，從而阻止了這些恒星飛離星系。歸根結底，也就是說，茲威基當年的路子是對的。

以我們目前對宇宙的了解，天文學家認為，暗物質在宇宙形成的過程中起到了基礎性的作用。

幾乎從140億年前宇宙大爆炸后的那一刻起，宇宙就開始了快速的膨脹，星系團開始形成。然而，宇宙的膨脹并沒有快到所有星系都飛到宇宙邊邊角角的地步。這是因為，盡管暗物質看不見摸不著，但它將宇宙中所有的一切都攏在一起。

暗物質（紅色）、光（黃色）和星系（藍色）的示意圖

從某種意義上說，暗物質就像風一樣，我們無法直接看到它，但是知道它就在那里。更重要的是，宇宙中暗物質的量很大：大約占整個宇宙物質的25%。有時候，人們說宇宙中所有物質的大約80%是暗物質。那是因為，宇宙只有區30%是由物質構成的，剩下的是能量。

20世紀80年代，暗物質存在的第一個確鑿證據出現了。

暗物質是骨架，普通物質就掛在暗物質骨架上。

1981年，在哈佛大學，一個由馬克·戴維斯領導的團隊進行了最早的星系調查。他們意識到，星系并不是以一種統一的模式排列的，“并不是像蛋糕表面的糖衣一樣均勻分布”。

事實上，星系聚集成了大的星系團，每個星系團都包含幾十萬個星系。這些星系團構成了被稱為“宇宙網絡”的錯綜復雜的模式。這一網絡就是由暗物質捆綁在一起的。

“換句話說，暗物質是骨架，而普通物質就掛在暗物質骨架上。”英國劍橋大學的卡羅琳·克勞福德說，“我們知道，在宇宙的早期暗物質就已經存在了。將那些材料聚集在一起是至關重要的，只有這樣，宇宙才能繼續發展，成為我們今天看到的結構。”

英國杜倫大學的卡洛斯·弗朗克說：“這些星系團的發現引起了轟動。”戴維斯——他當時的老板——給他布置了一個具有挑戰性的任務：找出星系以這種方式排列的原因。

擁有這種熱暗物質的宇宙，與真實的宇宙完全不是一回事。

當弗朗克著手進行這項研究時，他發現，已經有人宣稱解決了這一問題。1980年，一個由V.A.留比莫夫領導的俄羅斯研究團隊已經提出了有關暗物質的一種可能的解釋，認為暗物質是由中微子組成的。

這是有一定道理的。中微子是黑暗的幽靈般的粒子，與其他物質幾乎不發生相互作用。研究人員提出，所有中微子加起來的質量，可能就是宇宙中失蹤的質量。

但是這里有一個問題。中微子是熱暗物質，這就意味著它們很輕，因此能夠快速移動。當弗朗克試圖模擬一個充滿了熱暗物質的宇宙時，發現根本行不通。

“令我們失望的是，我們發現，擁有這種熱暗物質的宇宙與真實的宇宙完全不是一回事。”弗朗克說，“擁有熱暗物質的宇宙相當完美，但不是我們生活的這個宇宙。在那個宇宙中，應該存在龐大的超級星系團，而在我們的宇宙中這種情況是不存在的。”

暗物質必須是“冷的”，而且運動得很慢。下一步就是要找出這種冷暗物質在哪里了。

雖然我們無法直接看到它，但暗物質干的一件事會使自己露出馬腳。它會使穿過它的光線發生彎曲。這和光線穿過泳池或是結了霜的浴室窗戶時發生的事情有些相似。

這種效應被稱作引力透鏡效應，可被用于計算出暗物質在哪里。利用這項技術，科學家正在創建宇宙暗物質地圖。

當然，目前的這類地圖還太粗略，無法展現任何細節。在位于加州理工學院的美國航空航天局噴氣推進實驗室里，加里·普雷奧說：“這就好比說，你已經對地球上的大陸有了一個基本的了解，而現在真正感興趣的，是這些大陸上山脈和湖泊的形狀。”

暗物質探測器

盡管如此，對于暗物質在什么地方，我們至少有了一個大致的了解。但是，我們仍然不知道暗物質到底是什么東西。

對此，人們已經提出了幾個觀點，其中最流行的觀點認為，暗物質是由一種新粒子構成的，這種粒子可以通過理論加以預測，但從未被觀測到過。他們將其稱為“弱相互作用大質量粒子”（英文縮寫WIMP）。

WIMP只不過是一個標簽罷了，它可能包含很多不同種類的粒子。

“對我們所處的這個世界來說，WIMP在各個方面的作用都是很微弱的。”英國諾丁漢大學的安妮·格林說，“首先，它們彼此之間不會發生相互作用，更不用說與普通物質發生相互作用了。當你擊打一堵墻時，你的手會與墻發生碰撞。但當一個WIMP與墻壁發生碰撞，或與另外一個WIMP發生碰撞時，通常來說，它會徑直穿過對方。雖然它們的個頭并不一定很大，但WIMP擁有很大的質量，很可能是質子質量的數百至數千倍。”

問題就在于，我們不知道它究竟有多重。

“WIMP只不過是一個標簽罷了，它可能包含很多不同種類的粒子。”梅西說，“更糟的是，它們來無影去無蹤，所以對它們進行探測是極其困難的。”

此時此刻，你可能頓感失望，已經開始扔下武器，準備繳械投降了。“起先，他們認定宇宙中到處存在著這種看不見摸不著的物質，而現在，他們又認定這種物質是由某種無法探測到的新材料構成的！這簡直是太荒唐啦！”好吧，你并不是第一個這樣說的人。

任何一個想要創造出全新引力理論的人，都必須比愛因斯坦更勝一籌。

早在1983年，一些物理學家就已經提出，所謂的暗物質根本就不存在。相反，他們認為萬有引力定律肯定是錯的，這才是星系行為如此怪異的原因。這一觀點被稱為“修正牛頓動力學”，英文縮寫為MOND。

“我們正在解讀宇宙中的‘旋轉木馬（這里的‘旋轉木馬指的是星系）。”梅西說，“在假定我們知道萬有引力如何作用的前提下，仔細觀察這些‘旋轉木馬的運動規律，也許我們曲解了萬有引力定律，從而對證據進行了錯誤的解讀。”

問題是，對于暗物質，MOND的支持者至今沒能提出一個切實可行的替代方案，他們的觀點解釋不了已知的觀測數據。“任何一個想要創造出全新引力理論的人，都必須比愛因斯坦更勝一籌。他必須能夠解釋愛因斯坦已經解釋的一切現象，還要對暗物質做出解釋。”

2006年，美國航空航天局發布了一張氣勢恢宏的圖像。對很多研究人員來講，這張圖像的發布徹底宣告了MOND的失敗。

這是一張顯示兩個巨大的星系團碰撞場景的圖像。由于大多數物質明顯地集中在中心區域，因此我們可以推測，那里是萬有引力最集中的區域。

有三種方法可以發現暗物質

但是在其邊緣區域，光線在引力的作用下同樣發生了彎曲。這就意味著，那里存在另外一種形態的物質。

如果這是正確的，那么我們就回到了問題開始的地方。我們面臨的挑戰是，在根本不知道要找的是什么的情況下找到暗物質。

這聽起來似乎比大海撈針還要糟糕，但事實上，有三種方法可以發現暗物質。

第一種方法是觀測暗物質在宇宙中的活動。利用已有的宇宙暗物質地圖監測其行為，天文學家或許能夠探測到偶然發生的暗物質碰撞。

暗物質通常會直接穿過正常物質，雙方不發生任何相互作用。但由于它們的數量巨大，在非常偶然的情況下，暗物質會“踢”到原子，使原子像一個臺球那樣發生后坐。這一碰撞應當會產生伽馬射線——一種能量極高的射線。“在這種極其罕見的情況下，暗物質也能夠發光。”弗朗克說。

格林說，他們目前已經開展了一些探測實驗，正致力尋找此類原子核后坐事件。

2014年，利用美國航空航天局功能強大的費米空間望遠鏡獲取的數據，研究人員宣稱，他們已經檢測到了由此類撞擊事件產生的伽馬射線。他們發現，銀河系的一個區域內似乎存在伽馬射線暴，其來源或許正是暗物質。

這種暴發的模式與理論模型相吻合，但仍然令科學家感到困惑的是，它們是否真的源于暗物質，因為脈沖星或恒星死亡時也會產生同樣的伽馬射線。

暗物質之間偶爾也會發生碰撞，并且也有一種辦法可以對此進行觀測。

梅西的團最近正在監測一些發生猛烈碰撞的星系。他們預計，這些星系內的所有暗物質都會徑直穿過對方。但出乎意料的是，其中一些暗物質似乎放慢了腳步，落在了它們所在星系的后面。

這一現象表明，這些暗物質之間發生了相互作用。“如果情況確實如此，那么這將是我們獲得的首個證據，證明暗物質與它身外的世界有那么一絲絲的相互作用。”梅西說。

不過，以上這兩種方法都有一個重大缺陷：你不可能抓住一個星系大小的暗物質云，然后把它放在顯微鏡下仔細觀察。它們太過龐大了，而且距離我們太遙遠了。

因此，探測暗物質的第二條路，也許是制造出暗物質。

即使大型強子對撞機確實制造出一些暗物質，但在實際操作中，探測器卻不一定能夠檢測到。

物理學家希望，利用強子對撞機，比如位于瑞士日內瓦的大型強子對撞機，能夠做到這一點。

大型強子對撞機可使質子以接近光速的速度相互碰撞。此類碰撞產生的能量將強大到足以擊碎質子，使其分裂成質子組件。因此，利用大型強子對撞機，就可以對這些亞原子碎片進行研究。

英國倫敦大學國王學院的馬爾科姆·費爾貝恩說，在這類強大的碰撞中，一些新的粒子，比如WIMP，就很有可能被發現。

他說：“如果暗物質的確是由WIMP組成的，并且我們在大型強子對撞機中發現了這種粒子，那么我們將很可能知道宇宙中的暗物質究竟是由什么組成的。”

然而， 如果暗物質并不像理論中預言的WIMP那樣，那么大型強子對撞機將無法檢測到它。

在此，還存在另外一個難題：即使大型強子對撞機確實制造出一些暗物質，但在實際操作中，探測器卻不一定能夠檢測到。

“實際情況可能是這樣的：系統發現有組粒子朝一個方向移動，而在另一個方向什么也沒有。”費爾貝恩說，“發生這種情況只有一種可能，那就是，朝另一個方向移動的是一種探測器無法檢測到的東西，很可能就是暗物質粒子。”

如果這種方法也失敗了，物理學家還有第三個選擇：深入地下。

在一些古老的廢棄礦井以及群山深處，科學家正等待著，有朝一日WIMP能夠與普通物質發生碰撞，就像費米空間望遠鏡在太空深處觀察到的那類碰撞一樣。

每一秒都有數十億暗物質粒子穿過我們的身體。“它們在你的辦公室里，在你的房間里，在任何地方。”弗朗克說，“每一秒都有數十億個暗物質粒子穿過你的身體，你卻渾然不覺。”

從理論上講，我們應當可以監測到這些撞擊中發出的伽馬射線閃光。但問題是，還有很多其他東西穿過了你的身體，包括宇宙射線，這會將暗物質粒子產生的信號淹沒。

因此，人們想到了地下實驗，用厚厚的巖層來阻擋絕大部分宇宙射線，因為暗物質粒子可以穿過巖層。

但到目前為止，我們仍未找到令人信服的信號。2015年8月發表的一篇論文說，意大利格蘭薩索國家實驗室的XENON1

00探測器，迄今仍是一無所獲。

此前還發生過數次誤報事件。數年前曾有研究團隊宣稱，他們進行的暗物質實驗已經檢測到了暗物質，但大多數物理學家認為他們發現的并非WIMP。

這是一個恥辱柱，時刻提醒我們，距離真正理解我們的宇宙還有多遠的路要走。

“最終，我們必須通過不止一種途徑觀測到暗物質。只有這樣，我們才能確認在實驗室中觀察到的粒子與星系中的暗物質是一回事。”費爾貝恩說。

就目前而言，我們對宇宙的大部分仍是一無所知，并且我們也不清楚這樣的情況究竟還要持續多久。

一些宇宙學家，其中也包括弗朗克，對我們能夠在今后10年內找到答案滿懷信心。而另外一些宇宙學家，比如格林，對此則顯得信心不足。她認為，如果大型強子對撞機近期還不能有所發現的話，或許就意味著我們找錯了方向。

現在，距離茲威基首次提出暗物質的存在已經80多年了，我們仍未取得暗物質的樣品，甚至無法明確它們究竟是什么東西。這是一個恥辱柱，時刻提醒我們，距離真正理解我們的宇宙還有多遠的路要走。我們也許知道各種各樣的事情，從宇宙的肇始，到地球上生命的演化。但關于我們宇宙的秘密，仍然有待人們去揭曉。