來感受一下暗物質的引力

石無魚

由10億個傳感器組成的陣列能否探測到我們身邊的暗物質？

預言暗物質的存在，在近一個世紀前是轟動科學界的一件大事，曾讓許多天文學家眉飛色舞。但是，最近幾年，他們越來越著急了。

他們為什么著急？一句話，這關乎他們的信譽。

你瞧，我們本來確信自己活在一個陽光燦爛的世界里，可是有一天他們跑來信誓旦旦地告訴我們，在宇宙中還存在大量看不見、摸不著、感覺不到的東西，也就是他們所稱的暗物質。而且據他們說，暗物質是普通的可見物質的5倍還多。這就好比有人來告訴你，這個世界其實由幽靈主宰，這里的幽靈比活人還多。這能不讓你心里一驚么？

既然有這么多的暗物質，那他們好歹拿個出來給我們看看呀。這正是著急的所在，因為他們已經搜索了差不多半個世紀，迄今連一點影兒都沒找到。

既然沒找到，那就繼續吧。沒錯，他們最近又有了一個新的點子：通過直接探測暗物質的引力來揭示它們的存在。

暗物質目前唯一確定的性質

聽我這么一說，熟知暗物質歷史的你一定會說：這算什么新點子！人盡皆知，暗物質跟普通物質只有引力作用，我們本來就只能通過引力來探測它們嘛！

這話自然沒錯。不過，天文學家為什么先前沒想到“這一點”，個中的原委卻一言難盡。

暗物質最早是出于天文學上的需要提出來的。因為天文學家發現，很多星系邊緣的恒星運動速度很快，可是奇怪的是，它們居然沒有逃離星系。

這話怎么說呢？我們知道，物體做圓周運動，需要向心力;速度越快，需要的向心力也越大。這些恒星運動那么快，需要的向心力一定很大。那么，是什么天體產生的引力，使它們沒能飛出去呢？

我們知道，引力大小跟兩個天體質量的乘積成正比。能把星系邊緣的恒星控制住的，差不多是整個星系的質量。可是當天文學家根據星系中的發光天體加上盤踞中心的黑洞估算出該星系的質量時，他們發現，這點質量遠遠不夠把邊緣的恒星控制住。這就迫使他們提出，星系中還存在大量不發光的物質，正是這些物質產生的引力，使這些星系邊緣的恒星不至于逃逸。這些物質就是所謂的暗物質。注意，這里所謂的“發光”，不僅指發可見光，也包括散發紫外線、無線電波等其他電磁波。總之一句話，暗物質不會發射電磁波。

電磁波是電磁作用的結果，所以這又意味著暗物質之間以及它跟普通物質之間，都沒有電磁作用，讓我們所有的望遠鏡都鞭長莫及。

在普通物質中，強核力是為了克服電磁力而存在的。譬如，氧原子核由8個質子和8個中子組成。8個質子都帶正電荷，距離又靠得非常近，如果沒有強核力把它們“捏”在一起，它們早就因靜電排斥各自逃散了。現在，暗物質沒有電磁力作用，對于它，強核力似乎也失去了存在的理由。所以，一般認為暗物質之間以及暗物質與普通物質之間，也不存在強核力作用。至于弱核力是否存在，暫時還無法確定（下面你將會看到，我們以往探測暗物質正是基于它們之間存在弱核力這一假設的）。

所以，我們對暗物質的性質迄今唯一可以確定的是：它們之間以及它與普通物質之間，存在引力作用。

以往是如何探測暗物質的

說到這里，你也許會說：既然如此，那我們就去探測它的引力好了。可是說得輕巧，要知道，引力是一種極其微弱的作用力。

說引力是一種微弱的作用力，似乎可笑。從高樓上掉下一個花盆，可以把停在下面的小車砸穿。這不就是地球引力惹的禍嗎，怎么算微弱呢？

這當然是事實，但強弱是相對而言的。前面說過，引力大小跟兩個天體質量的乘積成正比，花盆質量不大，可地球質量大呀。如果引力大，那我們人與人就會碰在一起，車與車碰在一起，我們還怎么生活？所以幸虧引力小。在物理學家看來，讓兩個質子保持在同樣的距離，那么它們之間的靜電力比它們之間的引力，要高出40個數量級。40個數量級是什么概念？就是1后面添加40個零！

引力的強度是如此微弱，所以要去探測我們身邊暗物質的引力，幾乎不可能。它們的引力，也只能在星系量級的天體中，才能體現出來。

那么，以往人們是怎么探測的暗物質的呢？這就要涉足粒子物理學了。

物理學上認為，所有物質都是由粒子組成的。暗物質也不例外，因此應該存在暗物質粒子。可是在粒子物理學的標準模型中，能滿足暗物質性質的，只有一種粒子，那就是中微子。中微子不帶電，所以沒有電磁作用。但中微子有質量，所以必定受引力作用。中微子與普通物質有弱核力作用，而前面提到，暗物質并不排斥弱核力。

但遺憾的是，中微子質量太輕，似乎難以擔當暗物質占宇宙物質總質量的85%的重任。此外，它們跑得太快，太難管束，似乎難以把它們束縛在星系里。

這樣，人們就把希望寄托在大質量弱相互作用粒子（WIMP）身上。WIMP是一種假想的粒子，是超對稱理論預言的。超對稱理論是一門很高深的理論，你只要知道它是目前粒子物理學標準模型的擴展版就行了。

WIMP的質量預計在質子的50到幾千倍之間，并且它不僅通過引力，也通過弱核力與普通物質作用。弱核力雖然稱“弱”，但其實比電磁力還強得多，這就為暗物質提供了一種更容易探測的方法：當暗物質遇到普通物質時，或許會像中微子一樣，發生弱核反應，從而暴露其蹤跡。

然而令人沮喪的是，迄今30多年過去了，我們依然沒有發現WIMP。更要命的是，最近連預言WIMP的超對稱理論也岌岌可危了。因為超對稱理論還預言了其他一些粒子，但歐洲大型強子對撞機經過一次次升級之后，能量已經足夠高，按理應該能碰撞出一部分這些粒子，但它依然一無所獲。所以，現在越來越多的懷疑目光落在了超對稱理論頭上。

暗物質占宇宙物質總量的80%左右

通過引力探測暗物質

在這種情況下，美國馬里蘭大學的理論物理學家丹尼爾·卡尼和他的同事提出，我們應該“重拾初心”：既然真正確定暗物質性質的事情只有一件，即它和普通物質之間存在引力作用，那我們為何不直接去探測它的引力呢？

咦！前面不是說暗物質的引力太弱了嗎？沒錯，但時移勢易，今天我們最好的設備已經能夠探測極其微小的力了，小到10-21牛頓！1牛頓大約相當于一個蘋果的重量，而10-21牛頓大約是一條RNA的重量。這一精度甚至超越了探測引力波的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）的能力。而你知道LIGO的精度有多高嗎？在從地球到太陽這么長的距離內，哪怕只發生一個質子直徑那么小的距離變化，都能探測出來！

能敏銳地感覺極微小的力的傳感器有多種版本。卡尼他們青睞的是這樣一個版本：用幾束激光將一個直徑幾百納米的玻璃珠“夾”起來，在超高真空中保持微妙的平衡，并將其冷卻到接近絕對零度。當它身邊有暗物質飄過時，暗物質對它的引力將會使其失去平衡。

當然，一個暗物質粒子的引力還是太小了，至少要一個暗物質團塊。研究人員的計算表明，假如有一顆細鹽粒般大小（質量可以小到百萬分之一克）的暗物質團塊碰巧在距離玻璃珠不到一毫米的空間飛過，我們就能觀測到珠子的振動。

LIGO的混凝土隧道中藏著迄今探測引力最敏感的裝置

這聽起來很簡單，不過成為現實之前，仍有一些障礙需要跨越。首先，你如何排除周圍環境的干擾呢？比如說，電梯在實驗大樓升降造成的地面震動，你如何排除？

有一個變通的辦法。當地球和整個太陽系以每小時約80萬千米的速度圍繞銀河系中心旋轉時，地球或許正穿過一片暗物質的“叢林”。卡尼和他的同事證明，如果你將許多傳感器安排在一個有規律的三維網格中，當一個暗物質團塊穿過時，它們會以一種協調的方式振動。請想象一下你穿過一片茂密的灌木叢的情景。當你鉆進灌木叢的時候，前方的灌木往兩邊倒，在你身后的則又迅速地合攏來。把你自己想象成暗物質團塊，把這些灌木想象成傳感器，那么傳感器陣列就以類似的方式協調振動，而來自周圍環境的干擾產生的振動是不會這么有規律的。

然而，問題就在這里。鑒于計算出的暗物質的密度，在1立方米大小的空間需要布置100萬到10億個超敏感的傳感器，而目前，一個傳感器的成本大約是100萬美元。這真是一個燒錢的活，需要成本大幅度下降之后才可行。

所以，目前科學家們只是在做前期的準備工作。譬如，卡尼和其他幾位科學家正通力合作，希望未來一年內先建造由大約10個傳感器組成的一個簡單陣列，為以后建造更大的陣列積累經驗。

拓展閱讀

用反物質探測暗物質

如果我們用普通物質（如正文中的玻璃珠）探測不到暗物質，我們還可以用反物質試試運氣。

我們知道反物質是存在的，但關于反物質，仍有一些謎團未解。粒子物理學的標準模型說，粒子和它的反粒子，除了電荷相反，其他性質完全一樣;而且在大爆炸中，創造的物質和反物質是完全等量的。

可是如此一來，我們這個物質占主導的宇宙的存在就成問題了。因為物質和反物質一接觸就湮滅，要是兩者等量，湮滅之后任何物質都不會剩下。這個矛盾迫使一些物理學家猜測，粒子和它的反粒子很可能在性質上有微小的差異。正是這點微小的差異，讓我們的宇宙幸存了下來。

鑒于粒子物理學的標準模型并未解釋暗物質是什么，它與反物質和物質的相互作用可能也是不同的。如果它與反物質有更多的相互作用，這不僅可以為反物質之謎提供一個新的解釋，還可以提供一種探測暗物質的辦法。