據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，我們所在宇宙的大部分是不可見的，我們只能通過(guò)它們對(duì)其他物質(zhì)施加的引力作用才能感知到它們的存在。并且到目前為止，科學(xué)家們對(duì)于這些看不見的物質(zhì)究竟是什么，以及為何它們會(huì)構(gòu)成我們所在宇宙如此大的一部分幾乎仍然一無(wú)所知。

　　他們將這種物質(zhì)命名為“暗物質(zhì)”，它們占據(jù)了我們整個(gè)宇宙中物質(zhì)總量的4/5。那么這構(gòu)成宇宙大部分的神秘物質(zhì)究竟隱匿在何處？科學(xué)家們何時(shí)才能找到它們？當(dāng)然，首先要問(wèn)的是，我們一開始是如何知道暗物質(zhì)的存在的？

　　暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷程

　　暗物質(zhì)最早是在1930年代由瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn)，他對(duì)星系團(tuán)質(zhì)量的計(jì)算數(shù)值顯示宇宙中有些質(zhì)量“缺失”了。因此，不管構(gòu)成宇宙完整質(zhì)量的其他物質(zhì)是什么，這種物質(zhì)一定是不發(fā)光的，也不會(huì)通過(guò)除引力之外的其他途徑與其他物質(zhì)之間發(fā)生相互作用。

　　到了1970年代，美國(guó)女天文學(xué)家維拉·魯賓（Vera Rubin）發(fā)現(xiàn)星系內(nèi)恒星的旋轉(zhuǎn)速度不符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律：她對(duì)仙女座大星系的觀測(cè)顯示，處于星系內(nèi)部和邊緣的恒星，它們圍繞星系核心公轉(zhuǎn)的速度似乎是完全一樣的，而按照正常的牛頓定律，外側(cè)的恒星公轉(zhuǎn)速度應(yīng)該要比內(nèi)側(cè)的恒星更慢。很顯然，在星系外側(cè)邊緣一定存在著未知的質(zhì)量，某種我們無(wú)法看到的質(zhì)量體。

　　其他證據(jù)來(lái)自引力透鏡效應(yīng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)這種效應(yīng)指的是大質(zhì)量天體的引力場(chǎng)導(dǎo)致周邊天體光線被彎曲的現(xiàn)象。根據(jù)愛(ài)因斯坦所提出的廣義相對(duì)論，重力能夠彎曲時(shí)空，就像當(dāng)你站在一個(gè)床墊上，你站立的地方會(huì)向下凹陷一樣。因此即便光子本身是沒(méi)有質(zhì)量的，但由于光線沿空間傳播，空間本身的彎曲會(huì)導(dǎo)致光線的彎曲。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在某些大型星系團(tuán)周圍出現(xiàn)的強(qiáng)烈光線彎曲現(xiàn)象沒(méi)有辦法用這個(gè)星系團(tuán)中可以觀測(cè)到的可見物質(zhì)的質(zhì)量來(lái)解釋。換句話說(shuō)，這些星系團(tuán)的質(zhì)量比它們看上去大的太多了。

　　然后是宇宙微波背景輻射（CMB），這是宇宙大爆炸的余暉，除此之外對(duì)于超新星的觀測(cè)也得到了相同的結(jié)論。美國(guó)夏威夷大學(xué)物理學(xué)教授杰森·庫(kù)馬爾（Jason Kumar）表示：“宇宙微波背景輻射告訴我們的信息簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是宇宙在空間上基本是平坦的。這種平坦的含義是，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果你在宇宙中畫兩條穿越整個(gè)宇宙的線，它們將永不相交，即便這兩條線的直徑達(dá)到數(shù)十億光年也仍然如此。而在一個(gè)曲率較大的宇宙中，這樣的兩條線將會(huì)在空間里的某處相交?！?/p>

　　研究人員隨后計(jì)算了宇宙中應(yīng)當(dāng)含有多少物質(zhì)的量，才能保證宇宙是平坦的，并且能夠產(chǎn)生我們?cè)谟钪嬷兴^察到的那么多數(shù)量的“常規(guī)物質(zhì)”（也稱“重子物質(zhì)”）。

　　庫(kù)馬爾說(shuō)：“我問(wèn)我自己，理論計(jì)算顯示宇宙中應(yīng)當(dāng)存在的物質(zhì)的量與重子物質(zhì)的量相吻合嗎？答案是否定的?！边@一差異性為宇宙學(xué)家和天文學(xué)家們提出了一個(gè)強(qiáng)烈的暗示，表明宇宙中應(yīng)當(dāng)還存在大量我們看不到的暗物質(zhì)。這種物質(zhì)不會(huì)發(fā)光，也不像質(zhì)子或者電子那樣具有電性，因此一直到目前為止，暗物質(zhì)仍然沒(méi)有被直接探測(cè)到。

　　庫(kù)馬爾說(shuō)：“這就像一個(gè)謎團(tuán)?！贝饲翱茖W(xué)家們已經(jīng)嘗試很多種方法試圖實(shí)現(xiàn)對(duì)暗物質(zhì)的探測(cè)，或者是通過(guò)觀察它們與普通物質(zhì)之間的相互作用，或者是搜尋理論上被認(rèn)為可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子跡象。庫(kù)馬爾表示：“相關(guān)的實(shí)驗(yàn)將會(huì)逐漸改善，并且目前看來(lái)在取得進(jìn)展方面還尚未遭遇任何明顯的困難?！?/p>

　　暗物質(zhì)不可能是什么？

　　關(guān)于暗物質(zhì)的本質(zhì)，此前已經(jīng)有過(guò)多種不同的理論。最早的理論顯得非常直白：科學(xué)家們認(rèn)為暗物質(zhì)隱匿在所謂的“暈內(nèi)大質(zhì)量高密度天體”（MACHOs）中間，比如中子星、黑洞、褐矮星和流浪行星等等。它們不會(huì)發(fā)光，或者發(fā)光性很弱，因此在望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)看來(lái)，這些天體往往是不可見的。

　　然而，對(duì)于這類暈內(nèi)大質(zhì)量高密度天體扭曲背景星光效應(yīng)——也就是所謂的“微引力透鏡效應(yīng)”開展的觀測(cè)結(jié)果顯示，這一效應(yīng)無(wú)法解釋存在于星系周圍的暗物質(zhì)規(guī)模，甚至連其中的一小部分都不足以解釋。美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室助理研究員丹·胡珀（Dan Hooper）表示：“暈內(nèi)大質(zhì)量高密度天體理論現(xiàn)在已經(jīng)基本上被排除了。”

　　暗物質(zhì)應(yīng)該也不會(huì)是那些因?yàn)椴话l(fā)光而難以被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的低溫氣體云團(tuán)。因?yàn)楸M管自身并不發(fā)光，但氣體云團(tuán)會(huì)吸收來(lái)自遠(yuǎn)方背景恒星和星系發(fā)出的光線并在更長(zhǎng)的波段上發(fā)出輻射，因此如果暗物質(zhì)實(shí)際上是氣體云團(tuán)的話，我們應(yīng)該會(huì)在紅外波段上觀測(cè)到強(qiáng)烈的信號(hào)。但實(shí)際上我們并未觀測(cè)到這樣的強(qiáng)烈信號(hào)，因此這一可能性也就被排除了。

　　暗物質(zhì)可能是什么？

　　“弱相互作用大質(zhì)量粒子”（WIMPs）理論是近年來(lái)最有希望解釋暗物質(zhì)本質(zhì)的候選理論之一。WIMPs是質(zhì)量非常大的粒子，其質(zhì)量值可以達(dá)到質(zhì)子的10~100倍。它們產(chǎn)生于宇宙大爆炸過(guò)程當(dāng)中，盡管時(shí)至今日僅有很少一部分仍然殘留下來(lái)。這類粒子會(huì)與常規(guī)物質(zhì)之間存在引力或弱核力的相互作用。質(zhì)量較大的WIMPs粒子在空間移動(dòng)的速度更慢，因而被稱作是“冷”（cold）的暗物質(zhì)候選體；而那些質(zhì)量相比稍輕的WIMPs粒子，其在空間移動(dòng)的速度更高，因此被稱為是“溫”（warm）的暗物質(zhì)候選體。

　　搜尋這種粒子的方式之一被稱為“直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)法”，比如在美國(guó)南達(dá)科塔州的一個(gè)礦井中正在進(jìn)行的“大型地下氙實(shí)驗(yàn)”（LUX），它使用大量的液氙對(duì)這類粒子進(jìn)行探測(cè)。如果科學(xué)家們觀察到氙原子核出現(xiàn)無(wú)法解釋的晃動(dòng)現(xiàn)象，那就很有可能是遭受到了WIMPs粒子的撞擊。而氙原子核晃動(dòng)的幅度則能夠讓科學(xué)家們對(duì)WIMPs粒子的質(zhì)量給出估算。但是到目前為止，LUX實(shí)驗(yàn)還尚未得到任何結(jié)果。

　　搜尋WIMPs粒子的另一種可能途徑則是加速器裝置。在加速器內(nèi)部，原子核以光速相撞，在此過(guò)程中產(chǎn)生的巨大能量將會(huì)轉(zhuǎn)化為其他類型的粒子，其中一些是科學(xué)家們此前從未觀測(cè)到過(guò)的。但到目前為止，粒子加速器并未探測(cè)到任何性質(zhì)上似乎與WIMPs粒子相接近的粒子信號(hào)。

　　不過(guò)盡管到目前為止似乎這兩種途徑都未能獲得突破，但庫(kù)馬爾指出，相關(guān)實(shí)驗(yàn)上取得的進(jìn)展已經(jīng)為這種理論上可能存在的暗物質(zhì)粒子可能的大小和質(zhì)量設(shè)定了限定值。LUX的靈敏度達(dá)到200 MeV，這相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的1/5左右。理論上它能夠觀測(cè)質(zhì)量最高達(dá)1 TeV的粒子，這已經(jīng)與某些類型的夸克相接近。由于LUX裝置到目前位置仍然沒(méi)有觀測(cè)到任何信號(hào)，這就意味著在此質(zhì)量（能量）范圍內(nèi)排除這種理論上存在的暗物質(zhì)粒子存在的可能性。

　　庫(kù)馬爾表示，WIMPs粒子的質(zhì)量有可能會(huì)非常大，如果情況的確如此，這就意味著它們的數(shù)量不會(huì)特別多，因此它們中的單個(gè)粒子碰撞氙原子核的概率也就會(huì)很低。

　　在理論物理學(xué)界還有另外一種針對(duì)暗物質(zhì)粒子的候選理論，也就是所謂的“軸子”（axions）。這些亞原子粒子能夠在其發(fā)生湮滅反應(yīng)，或是衰變?yōu)槠渌Ｗ訒r(shí)使用間接方法探測(cè)到，或者通過(guò)粒子加速器進(jìn)行搜尋。但是同樣的，到目前為止，科學(xué)家們?cè)谶@種理論粒子的搜尋方面還是一無(wú)所獲。

　　困難重重

　　由于對(duì)大質(zhì)量，緩慢移動(dòng)的“冷”候選粒子的探測(cè)，比如WIMPs或軸子的探測(cè)遲遲未能獲得進(jìn)展，一些科學(xué)家開始設(shè)法尋找那些更輕、移動(dòng)速度也更快的粒子，也就是科學(xué)家們所稱“溫”的暗物質(zhì)粒子。而在科學(xué)家們利用錢德拉塞卡X射線空間望遠(yuǎn)鏡在英仙座星系團(tuán)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種全新未知粒子的跡象之后，科學(xué)界對(duì)于這一暗物質(zhì)模型的興趣被重新點(diǎn)燃了。英仙座星系團(tuán)是一個(gè)巨大的天體集群，距離地球大約2.5億光年。該星系團(tuán)會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的X射線輻射，但是在2014年，科學(xué)界們檢測(cè)到一種不同波長(zhǎng)的輻射，其背后可能對(duì)應(yīng)一種此前未知的輕質(zhì)量粒子。

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家特雷西·斯拉特爾（Tracy Slatyer）表示，如果暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量是小的，那么科學(xué)家們要想實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的直接探測(cè)將會(huì)困難重重。斯拉特爾認(rèn)為，組成暗物質(zhì)的可能是一類全新的粒子。他說(shuō)：“如果暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量低于1 GeV，那么運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法想要進(jìn)行直接探測(cè)將會(huì)非常困難，因?yàn)槠涮綔y(cè)原理是觀察原子核出現(xiàn)的無(wú)法解釋的晃動(dòng)信號(hào)，但如果暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于受到撞擊的原子核質(zhì)量的話，那么這樣的晃動(dòng)信號(hào)將會(huì)非常微弱。”質(zhì)子，也就是氫原子的原子核，其質(zhì)量不會(huì)小于938 MeV，因此一個(gè)質(zhì)量?jī)H有KeV量級(jí)的粒子，其質(zhì)量值就比質(zhì)子小了1000倍。斯拉特爾表示：“想象一下讓一個(gè)乒乓球去撞擊一個(gè)保齡球，你會(huì)發(fā)現(xiàn)保齡球根本就不會(huì)動(dòng)，這其中的道理是一樣的。”

　　斯拉特爾表示，當(dāng)前學(xué)界有很多的探討，關(guān)于如果目前搜尋暗物質(zhì)的各種方法最后歸于失敗，那時(shí)候該怎么做？他們已經(jīng)提出了各種各樣的初步設(shè)想，從利用液氦的超流體性質(zhì)，到半導(dǎo)體技術(shù)，再到利用晶體中化學(xué)鍵的性質(zhì)，不一而足。

　　庫(kù)馬爾表示，暗物質(zhì)之所以顯得如此神秘，其中一個(gè)很重要的原因就在于科學(xué)家們認(rèn)為他們了解，至少在一定程度上了解宇宙大爆炸時(shí)期的核合成過(guò)程，也就是宇宙中物質(zhì)產(chǎn)生的機(jī)制。此前成功預(yù)言了希格斯-玻色子存在的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型到目前未知一直都十分成功，因此除非所有人都犯了某種根本性錯(cuò)誤，否則很難解釋為何到目前為止全世界仍然沒(méi)有能夠探測(cè)到暗物質(zhì)粒子。

　　舉例而言，如果暗物質(zhì)粒子與現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)的結(jié)果非常不同，那么一種可能便是我們的加速器將很難探測(cè)到它們的存在。類似大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）這樣的裝置更擅長(zhǎng)搜尋具有強(qiáng)核力相互作用的物質(zhì)，因?yàn)樗鼈儠?huì)衰變成為其他類型的粒子。如果暗物質(zhì)粒子也具有類似性質(zhì)，那么像大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)這樣的設(shè)備就有希望能夠找到它的蹤跡，但如果不是這樣，那么情況就會(huì)完全不同了。