暗物質(zhì)

暗物質(zhì)

真實(shí)世界里的神秘物質(zhì)

有些人喜歡討論“神秘的東西”，例如鬼、妖怪、神靈等，從上古的《山海經(jīng)》到最新的好萊塢大片，各種奇怪的神仙妖怪應(yīng)有盡有。然而科學(xué)家們不會(huì)去討論那些東西，因?yàn)榭茖W(xué)家對(duì)人們幻想出來(lái)的事物不感興趣（只有心理學(xué)家會(huì)研究人們?yōu)槭裁磿?huì)去幻想），他們關(guān)注的，是真實(shí)世界里的真實(shí)現(xiàn)象。

那么真實(shí)的世界里，也會(huì)有神秘物質(zhì)嗎？

還真有！

假設(shè)教室里空蕩蕩的，只有你一個(gè)人。這時(shí)有個(gè)同學(xué)到門(mén)口，說(shuō)：“這里人好多啊！”然后轉(zhuǎn)身走了。這時(shí)你會(huì)怎么想？膽小的人會(huì)害怕，膽大的人會(huì)覺(jué)得那個(gè)同學(xué)是在故意嚇唬他。如果你真的感到周?chē)腥嗽跀D你，那膽子再大的人也笑不出來(lái)了。

這種事在真實(shí)的教室里是不會(huì)發(fā)生的，除非是惡作劇，但是科學(xué)家在宇宙里真的觀察到了類似的神秘現(xiàn)象。

80多年來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的天文現(xiàn)象，很多天體的表現(xiàn)，就像被什么東西牽引著一樣，然而無(wú)論怎么努力觀測(cè)，我們也看不到任何東西。這說(shuō)明有一些神秘的東西，我們看不到摸不著，但真的存在，它們給這個(gè)宇宙施加了巨大的引力。我們能清晰地感知到它們的存在，但并不知道那是什么。

科學(xué)家給這種神秘的物質(zhì)起了一個(gè)名字：“暗物質(zhì)”，英文叫作Dark Matter。由于這東西是真實(shí)世界里的神秘物質(zhì)，所以很多魔幻主題的游戲都喜歡用這個(gè)名字去命名神秘的寶物呢。

看不見(jiàn)的物質(zhì)

暗物質(zhì)雖然神秘，但是絕不邪惡，恰恰相反，科學(xué)家認(rèn)為，正由于有暗物質(zhì)幫忙，我們這個(gè)世界才能出現(xiàn)。也就是說(shuō)，它是神秘的“正義力量”。

然而，暗物質(zhì)看不見(jiàn)摸不著，我們是怎么知道它存在的呢？

這一切的開(kāi)始，是在1933年。瑞士的天文學(xué)家，“超新星”的命名者茲威基（Fritz Zwicky 1898--1974）對(duì)離地球3.2億光年的后發(fā)座星系團(tuán)進(jìn)行觀測(cè)研究。這個(gè)星系團(tuán)非常大，它里面有3000個(gè)星系，直徑超過(guò)2000萬(wàn)光年。茲威基很想知道這個(gè)星系的質(zhì)量有多大，于是找了個(gè)方法來(lái)計(jì)算，為了確保結(jié)論正確，他又用另外一個(gè)方法來(lái)驗(yàn)算，最終發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)計(jì)算結(jié)果相差上百倍。

這兩種計(jì)算方法，用的是不同的原理。第一個(gè)方法，是計(jì)算星系的運(yùn)動(dòng)速度。星系繞著圈運(yùn)行，有很大的離心力，速度越快，離心力越大，這就跟轉(zhuǎn)圈扔鉛球一樣，運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)得夠快，一松手，鉛球就飛出去好遠(yuǎn)。

星系轉(zhuǎn)得那么快，星星為啥飛不出去呢？原因是有引力。物體的質(zhì)量越大，引力就越大，只要星系中央的質(zhì)量足夠大，周?chē)男切寝D(zhuǎn)得再快也飛不走。同理，我們知道星系沒(méi)有散架，那么只要知道它的運(yùn)動(dòng)速度，就可以推導(dǎo)出這個(gè)星系有多大的質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量叫力學(xué)質(zhì)量。

第二個(gè)計(jì)算方法，是利用光學(xué)。像太陽(yáng)一樣會(huì)發(fā)光的星星，叫作恒星，恒星發(fā)光的原理，叫作核聚變。恒星的質(zhì)量不同，會(huì)導(dǎo)致核聚變的效率不同，于是發(fā)出光的顏色和亮度也不同。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，紅色的恒星質(zhì)量小，藍(lán)色的恒星質(zhì)量大。通過(guò)對(duì)恒星亮度和顏色的測(cè)量，可以推導(dǎo)出其質(zhì)量，然后進(jìn)一步推導(dǎo)出整個(gè)星系的質(zhì)量。這樣測(cè)出的質(zhì)量，叫作光度質(zhì)量。

后發(fā)座星系團(tuán)的力學(xué)質(zhì)量，比光度質(zhì)量大太多了，那么哪個(gè)是正確的呢？茲威基認(rèn)為，力學(xué)質(zhì)量是正確的，而光度質(zhì)量實(shí)在太小了，不足以拉住那么多高速旋轉(zhuǎn)的星星，如果光度質(zhì)量正確的話，星系早就散架了。

茲威基最后的結(jié)論是：后發(fā)座星系團(tuán)里有大量“看不見(jiàn)的物質(zhì)”，而正是這種看不見(jiàn)的物質(zhì)保證了星系團(tuán)的引力，從而讓星星們高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但是不會(huì)飛出去。

現(xiàn)在我們知道，這種“看不見(jiàn)的物質(zhì)”，就是暗物質(zhì)。

新的發(fā)現(xiàn)

茲威基雖然發(fā)現(xiàn)了后發(fā)座星系團(tuán)里有看不見(jiàn)的東西存在，但這沒(méi)有引起科學(xué)界太多的關(guān)注。畢竟，我們看不見(jiàn)的東西可多了，而且這只是對(duì)一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的研究，也許是因?yàn)橛^測(cè)不準(zhǔn)也未可知呢。

真正讓整個(gè)科學(xué)界對(duì)暗物質(zhì)不得不重視的，是一個(gè)意志堅(jiān)定的美國(guó)女科學(xué)家：魯賓（Vera Rubin，1928- ）。二十世紀(jì)七十年代，魯賓在離地球大約250萬(wàn)光年的仙女座星系進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象。

仙女座星系和我們所在的銀河系一樣，都是圓盤(pán)狀的星系，數(shù)以億計(jì)的恒星和大量的星際介質(zhì)（一般以氣體形式存在）在里面飛速旋轉(zhuǎn)。魯賓研究的，是那些星際介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度。離我們那么遠(yuǎn)的氣體，怎么知道其速度呢？方法是看發(fā)出的光。可見(jiàn)光是電磁波的一種，波有一種“多普勒效應(yīng)”。大家在街上都聽(tīng)過(guò)救護(hù)車(chē)的報(bào)警聲吧，那個(gè)聲音就是聲波，當(dāng)車(chē)朝你開(kāi)來(lái)的時(shí)候，報(bào)警聲會(huì)越來(lái)越急促，而車(chē)離你遠(yuǎn)去的時(shí)候，報(bào)警聲會(huì)越來(lái)越悠長(zhǎng)。實(shí)際上報(bào)警聲的頻率是穩(wěn)定的，但是波源在走近和遠(yuǎn)離的時(shí)候，你感受到的波會(huì)出現(xiàn)頻率變化，所以你聽(tīng)到的報(bào)警聲就有變化，這個(gè)變化就是多普勒效應(yīng)。光的多普勒效應(yīng)，就是離你漸近的時(shí)候光會(huì)發(fā)藍(lán)，漸遠(yuǎn)的時(shí)候光會(huì)發(fā)紅。通過(guò)這個(gè)效應(yīng)，我們只要精確測(cè)量光的波長(zhǎng)，就可以算出遙遠(yuǎn)星系里的速度。

魯賓是個(gè)很認(rèn)真的人，她運(yùn)算星際介質(zhì)的運(yùn)行速度，并沒(méi)有只算一個(gè)地方的速度，而是認(rèn)真計(jì)算了仙女座里里外外很多地方，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了重大問(wèn)題。

引力帶來(lái)的大發(fā)現(xiàn)

按照常理，星系里不同位置的星體，運(yùn)轉(zhuǎn)速度是不一樣的，因?yàn)樗鼈兪艿降囊Σ灰粯印ＲΦ奶攸c(diǎn)，是離得越遠(yuǎn)，引力越小，具體而言是距離遠(yuǎn)一倍，引力變成四分之一。以太陽(yáng)系為例，行星離太陽(yáng)越近，受到的引力就越大，所以行星必須飛速旋轉(zhuǎn)，有足夠的離心力對(duì)抗引力，才能不掉到太陽(yáng)里去。而遠(yuǎn)處的行星，旋轉(zhuǎn)速度反而不能太快，不然離心力超過(guò)引力，就會(huì)飛出太陽(yáng)系。

太陽(yáng)系是小星系，仙女座星系比太陽(yáng)系要大得多，它里面有數(shù)以億計(jì)的太陽(yáng)系一樣的小星系。然而和太陽(yáng)系一樣的是，仙女座星系也是在核心位置聚集了最多的可見(jiàn)質(zhì)量。那么按照物理規(guī)律，這個(gè)星系里的氣體，根據(jù)距離星系中心的遠(yuǎn)近不同，速度是不一樣的。但是魯賓仔細(xì)計(jì)算了仙女座星系的各個(gè)部分的氣體旋轉(zhuǎn)速度，發(fā)現(xiàn)居然都一樣。

對(duì)于這個(gè)反常的現(xiàn)象，魯賓認(rèn)為，星系外側(cè)的氣體高速旋轉(zhuǎn)但還沒(méi)有飛出去，只能證明一件事，那就是整個(gè)仙女座星系里彌漫著非同尋常的東西，它們完全不可見(jiàn)，但是提供了大量引力，讓星系里各個(gè)部分都以相同的速度旋轉(zhuǎn)，但不會(huì)飛散架。

魯賓的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了世界科學(xué)界的關(guān)注，但是在一開(kāi)始，這種關(guān)注主要是來(lái)自各方的攻擊和批判。在四十多年前，社會(huì)沒(méi)有今天這樣開(kāi)放進(jìn)步，傳統(tǒng)的偏見(jiàn)讓美國(guó)人不相信女性也可以有杰出的智慧貢獻(xiàn)，魯賓是女性，所以她的發(fā)現(xiàn)并不被學(xué)界認(rèn)可。

在當(dāng)時(shí)，一個(gè)女科學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)如果被行業(yè)權(quán)威所否定，她通常會(huì)放棄自己的觀點(diǎn)。然而魯賓沒(méi)有屈服于他人的意見(jiàn)，她選擇了向事實(shí)去求助。為了驗(yàn)證自己的觀點(diǎn)，魯賓精算了超過(guò)100個(gè)星系，發(fā)現(xiàn)星體的旋轉(zhuǎn)速度全都比預(yù)計(jì)的快。

魯賓的堅(jiān)持終于有了回報(bào)，她的證據(jù)是如此的堅(jiān)實(shí)，讓科學(xué)界最終確認(rèn)了暗物質(zhì)的存在。這也是第一個(gè)不靠光和量子，純靠引力發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)。

真正的看不見(jiàn)

從二十世紀(jì)八十年代初開(kāi)始，各國(guó)的科學(xué)家都開(kāi)始積極尋找暗物質(zhì)的本來(lái)面目，然而到2017年為止，我們還沒(méi)能真正揭開(kāi)暗物質(zhì)的面紗，其原因就在于，暗物質(zhì)的性質(zhì)太奇特了。

茲威基和魯賓都說(shuō)暗物質(zhì)是看不見(jiàn)的。但他們說(shuō)的“看不見(jiàn)”，和我們一般意義上的看不見(jiàn)是不一樣的。

人類肉眼能看到東西，只有光而已，你能看到太陽(yáng)，是因?yàn)樘?yáng)自身發(fā)光，你能看到桌上的蘋(píng)果，是因?yàn)樘O(píng)果反射光。如果房間里漆黑一片沒(méi)有光，那就算有再多的蘋(píng)果，我們也看不到，這說(shuō)明我們平時(shí)看到的蘋(píng)果并非蘋(píng)果本身，而是蘋(píng)果反射的可見(jiàn)光。

人類是在太陽(yáng)系里進(jìn)化出來(lái)的，肉眼可見(jiàn)的光，其實(shí)是太陽(yáng)最常發(fā)出的電磁波，其頻率是380～780納米，看到眼睛里就是七色光：赤橙黃綠青藍(lán)紫。除了可見(jiàn)光之外，在紅色光和紫色光之外，還有頻率更高或者頻率更低的電磁波，如紅外線和紫外線等，叫作不可見(jiàn)光。所謂不可見(jiàn)光，指的是肉眼不可見(jiàn)，我們沒(méi)有進(jìn)化出那么豐富的感官，但是借助儀器，我們都能看得見(jiàn)。最典型的是黑洞，可見(jiàn)光走過(guò)去就被吸進(jìn)去，只能看到一團(tuán)黑，但是黑洞會(huì)發(fā)出X射線，這種X射線我們?nèi)庋劭床坏剑柚鷥x器能看到，所以盡管黑洞是黑的，但還是發(fā)光的，只不過(guò)肉眼看不到而已，這說(shuō)明黑洞不是暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)的“看不到”，是說(shuō)用任何手段都看不到，它不發(fā)出任何電磁波，可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光都不發(fā)出，也不會(huì)反射任何電磁波，可以說(shuō)是徹底的“黑暗”。

暗物質(zhì)是什么？

要想知道暗物質(zhì)是什么，我們先要知道暗物質(zhì)不是什么。要排除一切不可能，才能接近真相。

當(dāng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的時(shí)候，首先不會(huì)想這是個(gè)神秘物質(zhì)，而是先去假設(shè)暗物質(zhì)是看得到的一般物質(zhì)，可能只是因?yàn)樘h(yuǎn)了，我們的望遠(yuǎn)鏡看不到。

天文學(xué)家證實(shí)，宇宙里有一些物質(zhì)是望遠(yuǎn)鏡看不到的，叫作“暗天體”。英文縮寫(xiě)為MACHO，意思是“光環(huán)中的大質(zhì)量致密天體”。

暗天體有很多種，例如白矮星、褐矮星、行星等等。它們大部分不發(fā)光，或者會(huì)發(fā)非常微弱的光，由于距離遙遠(yuǎn)，所以極難觀測(cè)。我們知道，一塊石頭是可見(jiàn)的，但是在一個(gè)沒(méi)有星光和燈光的黑夜里，要看見(jiàn)幾千米外的一塊黑乎乎的石頭，那可以說(shuō)是難如登天。天文學(xué)家要看的都是億萬(wàn)光年之外的黑石頭，看不到是很正常的。

暗天體很多，但是不是暗物質(zhì)呢？關(guān)鍵在于它們能否提供足夠的引力。按照愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，引力是質(zhì)量導(dǎo)致的空間扭曲，空間一扭曲，光線也會(huì)被扭曲。換言之，大質(zhì)量的暗天體雖然無(wú)法被直接觀測(cè)，但是它們可以扭曲空間，從而扭曲光線，所以就有了觀察方式：如果亮星的光線被扭曲，就說(shuō)明附近有巨大的暗天體，具體的表現(xiàn)是亮星的光先變亮，然后變暗。這種觀察法叫作“引力透鏡觀察法”。

科學(xué)家從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始觀察暗天體。一開(kāi)始他們信心滿滿，但是對(duì)眾多星系連續(xù)觀察了七年，總共只發(fā)現(xiàn)了13個(gè)暗天體，數(shù)量少得可憐。暗天體實(shí)在太少，哪怕是最夸張的估計(jì)，其質(zhì)量也到不了星系質(zhì)量的十分之一，不足以提供如此強(qiáng)大的引力。

所以，暗物質(zhì)并不是看不到的暗天體，它并不是星球一樣的東西，而是彌散在整個(gè)星系間的一種物質(zhì)，換言之，是我們身邊就有，只是我們察覺(jué)不到而已。

暗物質(zhì)不是已知的物質(zhì)

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直想知道，暗物質(zhì)是否是某種已知物質(zhì)。

我們知道，一般物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。原子非常非常小，50萬(wàn)個(gè)原子排在一起，還沒(méi)有一根頭發(fā)粗。

在原子里面，有質(zhì)子、中子和電子，而質(zhì)子又是由各種夸克和膠子組成的。總之，我們已知的物質(zhì)，都是可以分解到基本粒子的，基本粒子就像積木，通過(guò)各種組合，搭建出我們可見(jiàn)的世界。

物理學(xué)家通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和觀測(cè)，建立了一套基本粒子模型。里面有各種各樣各樣的粒子，按理說(shuō)，總該有一款適合暗物質(zhì)。

科學(xué)家首先希望知道，暗物質(zhì)和原子究竟是不是一家人，也就是說(shuō)暗物質(zhì)是否也是由質(zhì)子、中子或者電子構(gòu)成的。

由于暗物質(zhì)無(wú)法觀測(cè)，所以科學(xué)家們想了一個(gè)繞路的法子，就是研究宇宙早期質(zhì)子和中子的總量，如果總量足夠大，說(shuō)明暗物質(zhì)也是原子的一家人。要是總量不夠大，則說(shuō)明暗物質(zhì)不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，和我們一般意義上的事物完全不同。

宇宙早期的質(zhì)子和中子的數(shù)量，是天文數(shù)字中的天文數(shù)字，要算出具體數(shù)值是不可能的，但是比例可以算。具體的方式，是看看在宇宙早期，元素氦和氘的數(shù)量比例是怎么樣的。如果氦多，則說(shuō)明質(zhì)子和中子多，如果氘多，則說(shuō)明質(zhì)子和中子不夠多。

宇宙早期我們?cè)趺纯吹侥兀看鸢甘强催b遠(yuǎn)的星體。宇宙有137億年歷史，所以光只走了137億年，于是我們?cè)诘厍蛏弦仓荒芸吹?37億光年之內(nèi)的星體。我們只要看足夠遙遠(yuǎn)的星體，那里的光就是來(lái)自于宇宙初期的，于是，我們也就看到宇宙初期的樣子了。

1996年，美國(guó)科學(xué)家泰特勒領(lǐng)導(dǎo)了一支團(tuán)隊(duì)，對(duì)遙遠(yuǎn)的遠(yuǎn)古星體做了詳細(xì)的觀測(cè)和研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氘元素的比例很高，質(zhì)子和中子的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)到不了暗物質(zhì)的要求，所以暗物質(zhì)根本不是我們所熟悉的任何物質(zhì)。實(shí)際上，原子構(gòu)成的物質(zhì)還不足暗物質(zhì)的五分之一。

暗物質(zhì)的條件

我們對(duì)“暗物質(zhì)不是什么”知道得越多，也讓我們離“暗物質(zhì)是什么”的答案越來(lái)越近。

我們知道，暗物質(zhì)和原子無(wú)關(guān)，不發(fā)光也不反光，不帶電荷，幾乎和一切物質(zhì)都不發(fā)生作用，遇到東西直接穿過(guò)去。科學(xué)家根據(jù)這個(gè)條件，翻遍了標(biāo)準(zhǔn)粒子模型，排除了各種不可能，最后發(fā)現(xiàn)有三種名叫“中微子”的粒子是暗物質(zhì)的理想候選者。

中微子是一種遍布宇宙的粒子，數(shù)量巨大，每立方厘米有300個(gè)，不和其他物質(zhì)發(fā)生關(guān)系。由于其數(shù)量太大，只要有一丁點(diǎn)兒質(zhì)量，就足以滿足暗物質(zhì)的條件了。

抱著極大的希望，科學(xué)家們做了大量觀測(cè)來(lái)研究中微子的質(zhì)量。1998年，科學(xué)家觀測(cè)了中微子振蕩現(xiàn)象，獲得了中微子的質(zhì)量，大概是電子的一千萬(wàn)分之一，幾乎約等于零。所以哪怕中微子在宇宙里數(shù)量驚人，總質(zhì)量也要在暗物質(zhì)的十五分之一以下，也就是說(shuō)，中微子不是暗物質(zhì)。

中微子的失敗，意味著暗物質(zhì)不是任何一種已知的粒子，科學(xué)家辛苦打造的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型并非包羅萬(wàn)象，我們已知的一切，只是宇宙里很小的一部分。

失敗是成功之母，尋找暗物質(zhì)的道路雖然艱辛，但是如果能拓寬整個(gè)人類的視野，再艱辛也是值得的。現(xiàn)在，科學(xué)家總結(jié)了四個(gè)暗物質(zhì)的條件，只要全部滿足，就是暗物質(zhì)了。

第一：不發(fā)光也不反光

第二：幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生碰撞

第三：質(zhì)量巨大，總質(zhì)量是其他可觀測(cè)物質(zhì)的五倍。

第四：初始速度幾乎為零。

暗物質(zhì)的第四個(gè)條件，是宇宙里一切星辰和物體得以出現(xiàn)的原因。在宇宙誕生的早期，由于暗物質(zhì)運(yùn)動(dòng)緩慢，一片片的堆積在一起，萬(wàn)有引力效應(yīng)導(dǎo)致一般物質(zhì)也跟隨暗物質(zhì)聚集起來(lái)，這樣才有了我們所知道的星系和星辰。如果暗物質(zhì)初始速度很高，在宇宙一誕生就四散飛行，沒(méi)有聚集，那我們的銀河系在一開(kāi)始就根本不會(huì)存在，于是我們也無(wú)法存在。所以，尋找暗物質(zhì)也讓我們可以更深刻地了解生命的起源。

尋找暗物質(zhì)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)并非我們認(rèn)識(shí)的任何事物，但這不意味著無(wú)法繼續(xù)尋找暗物質(zhì)了，恰恰相反，人類尋找暗物質(zhì)的步伐更加堅(jiān)定了。

已知的科學(xué)和方法不適用于暗物質(zhì)，那么要找到暗物質(zhì)，就必須拓寬已知的科學(xué)范疇，然后用新的方法去尋找。

科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)很可能要比氫原子重得多，重幾千倍也不奇怪，因?yàn)槿绻滴镔|(zhì)太輕了，就難以讓一般物質(zhì)輕易結(jié)合。

一名叫雷蒙德的數(shù)學(xué)物理學(xué)家，從數(shù)學(xué)角度，提出了暗物質(zhì)的另一種可能。他認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)粒子模型里之所以沒(méi)有暗物質(zhì)，是因?yàn)樵跀?shù)學(xué)上有缺陷，公式里面有無(wú)窮無(wú)法消除，所以必須修改。修改的結(jié)果，叫做“超對(duì)稱模型”，就是說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)粒子可能有一套鏡像般對(duì)稱的存在。

超對(duì)稱模型里的粒子，叫作“超對(duì)稱粒子”，其中的“中性微子”（包括光微子、Z微子、希格斯微子）不發(fā)光，基本不和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，質(zhì)量大，速度低，恰好符合暗物質(zhì)的四個(gè)基本要求，堪稱毫無(wú)瑕疵。按照數(shù)學(xué)上的預(yù)測(cè)，這些中性微子的質(zhì)量是氫原子的上千倍，我們周?chē)苛⒎矫字辽儆猩锨€(gè)。中性微子的初始速度很低，在宇宙誕生137億年后的今天，速度大概是270km/h（這個(gè)速度離光速差得很遠(yuǎn)，在宇宙的尺度上說(shuō)還是低速）。

數(shù)學(xué)上的存在，不等于現(xiàn)實(shí)世界里也存在，但存在的可能性很大，所以科學(xué)家對(duì)其寄予了厚望。

科學(xué)家挖了一個(gè)離地面上千米的深坑，來(lái)做暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。為什么要這么深呢？因?yàn)楹窈竦纳襟w可以過(guò)濾很多其他射線，讓實(shí)驗(yàn)專注于暗物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)的器材，叫“大規(guī)模暗物質(zhì)氙探測(cè)器”，簡(jiǎn)稱XMASS。氙和仙同音，是一種惰性氣體，質(zhì)量和暗物質(zhì)差不多。在大多數(shù)時(shí)候，暗物質(zhì)不會(huì)影響氙，但是在極其偶爾的情況下，暗物質(zhì)也許撞到氙，那時(shí)就會(huì)像撞臺(tái)球一樣，撞出光來(lái)。

XMASS設(shè)備的中心，是個(gè)直徑一米的球體，里面是零下一百度的液態(tài)線，還有642個(gè)光探測(cè)器，用于捕捉暗物質(zhì)和氙撞出的反光。雖然暗物質(zhì)和氙相撞的幾率低得可憐，但是只要預(yù)測(cè)正確，一秒鐘會(huì)有2000個(gè)暗物質(zhì)進(jìn)入XMASS，假以時(shí)日，還是可以發(fā)現(xiàn)的。

聲明：在《探索科學(xué)》11月刊的《從地球到火星》一文中，采用了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）官方網(wǎng)站的圖片，特此聲明。

直面未知的世界

要發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，不能光指望概率。科學(xué)家的“拼概率”，相當(dāng)于我們常說(shuō)的“拼人品”，運(yùn)氣好的話，仁慈的大自然會(huì)很快揭示其秘密，運(yùn)氣不好的話，敏感的大自然把秘密藏個(gè)幾百年也是正常的。XMASS雖然被寄予厚望，但是什么時(shí)候能有所斬獲，基本上就是聽(tīng)天由命，也許明年就有結(jié)論，也許很長(zhǎng)時(shí)間都不會(huì)有結(jié)果。

為了確保能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的本來(lái)面目，歐洲科學(xué)家走了一條完全不一樣的道路。他們認(rèn)為，暗物質(zhì)就算再神秘，也是宇宙大爆炸時(shí)超高能量制造出來(lái)的物質(zhì)，那么只要能人工再現(xiàn)一次宇宙大爆炸的情景，就能直接生產(chǎn)出暗物質(zhì)了。法國(guó)和瑞士交界處的“歐洲核子研究組織”（簡(jiǎn)稱CERN），擁有世界上最大的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，那里面有一個(gè)“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”（簡(jiǎn)稱LHC），可以模仿宇宙誕生初期的粒子對(duì)撞。

LHC是一個(gè)周長(zhǎng)27千米的環(huán)形設(shè)備，質(zhì)子在里面可以加速到接近光速，然后互相正面撞擊，從而制造出非常大的能量，力求回溯宇宙大爆炸之后千分之一秒的情況，再看能不能造出暗物質(zhì)。觀測(cè)的方式是看對(duì)撞能量是否均勻，如果暗物質(zhì)真的是超對(duì)稱粒子，就會(huì)觀測(cè)到一些異常的能量分布。不過(guò)，和XMASS一樣，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)不是那么輕而易舉的事情，所以CERN每隔一段時(shí)間就會(huì)更新對(duì)撞機(jī)的硬件，不斷提高實(shí)驗(yàn)的能量和精度，以期盡早有所斬獲。

XMASS和CERN的實(shí)驗(yàn)，都是希望尋找超對(duì)稱粒子，然而會(huì)不會(huì)理論方向本身就找偏了呢？

一些科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)還有一個(gè)潛在的候選者，叫作“軸子”。這也是一個(gè)理論上存在的粒子，還沒(méi)有找到。根據(jù)計(jì)算，如果軸子真實(shí)存在，它可以滿足暗物質(zhì)的各種條件，但是會(huì)非常輕，質(zhì)量只有質(zhì)子的100萬(wàn)億分之一。所以，如果軸子是暗物質(zhì)，那要求宇宙里軸子的密度必須高得驚人。和超對(duì)稱粒子一樣，軸子也還沒(méi)有找到，但是多了一個(gè)潛在的候選者，畢竟就多了一分成功的希望。

現(xiàn)在，全世界的科學(xué)家都在競(jìng)爭(zhēng)，看誰(shuí)先找到暗物質(zhì)，到時(shí)候肯定不止一個(gè)人會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。然而這個(gè)新世界的大門(mén)，不是那么容易打開(kāi)的，比大海撈針還要艱難得多，除了堅(jiān)定不移的決心，還需要相當(dāng)好的運(yùn)氣。也許到下個(gè)月，我們就能看到“科學(xué)家揭開(kāi)暗物質(zhì)真相”的新聞，也許再過(guò)一個(gè)世紀(jì)，人類也沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

無(wú)論如何，暗物質(zhì)都在提醒我們，大自然神秘莫測(cè)，世界遠(yuǎn)比我們所知的要廣闊深?yuàn)W得多。曾經(jīng)有人問(wèn)暗物質(zhì)的發(fā)明者魯賓，她覺(jué)得暗物質(zhì)會(huì)是什么，她是這么回答的：“我們不是很善于想象完全不同的東西，在偉大的自然面前，要保持謙卑”。