暗宇宙裡的隱秘生活(圖)

2011-12-17 18:38 作者:撰文:馮孝仁、馬克．特羅登 / 翻譯:虞駿

暗物質和暗能量構成的「暗宇宙」，與我們的宇宙交織在一起。雖然看不見也摸不著，但暗宇宙中的暗居民們或許過著跟我們一樣豐富精彩的隱秘生活。

暗物質和暗能量構成了一個我們看不到也摸不著的暗宇宙，與我們的可見世界交織在一起。那裡會不會有我們看不見的電子和質子，構成我們看不見的原子和分子，再構建起我們看不見的行星和恆星，甚至進化出我們看不見的人類呢？粒子物理學家為這些問題提供了意想不到的答案。

兩條互不相干的理由讓科學家相信，宇宙中充斥著某種未知形式的物質——暗物質。一是恆星、星系和氣體雲團的運動方式，就好像它們受到了不可見物質引力的牽引。二是放射性衰變之類的過程提出的難題，可以用一些迄今未知的粒子來合理解釋。

通常認為暗物質由WIMP粒子構成，這種粒子幾乎不與可見世界發生相互作用。孤僻是它的必要條件。

或者至少可以說，這是常見的假設。暗物質有沒有可能實際上擁有豐富精彩的內部生活？努力想弄明白暗物質由什麼東西構成的粒子物理學家認為，它們能夠通過一大堆作用力發生互動，其中就包括某種我們的眼睛完全不可見的「光」。

圖註：暗物質通過引力將宇宙塑造成了一個由星系構成的網路。理論學家現在猜測，暗物質或許還會施加其他作用力。這張圖片來源於2005 年的千禧模擬（Millennium Simulation）項目，描繪了一片寬約16億光年的宇宙區域中物質的分布狀況。

1846 年9 月23 日，德國柏林天文臺臺長約翰·戈特弗裡德·伽勒（Johann Gottfried Galle）收到一封信，一封即將改變天文學發展進程的信。寄這封信的是一個法國人，名叫於爾班·勒威耶（Urbain Le Verrier）。他一直在研究天王星（Uranus）的運動，得出了如下結論——天王星的軌跡無法用當時已知的、作用於其上的引力來完全解釋。於是勒威耶提出，必定存在一個當時尚未觀測到的天體，它的引力干擾了天王星軌道，而且干擾方式剛好能夠解釋觀測到的異常運動。就在當天晚上，伽勒將望遠鏡瞄向了勒威耶指明的方向，發現了太陽系的第八大行星——海王星（Neptune）。歷史在現代宇宙學中再度上演——天文學家觀測到宇宙中的異常運動，推測存在新的物質，然後努力去尋找它們。這次扮演天王星角色的是恆星和星系，我們看到它們正以一種不應該有的方式在運動，扮演海王星角色的則是我們推斷存在卻迄今未能觀測到的東西，現在暫時被稱為暗物質（dark matter）和暗能量（dark energy）。根據我們看到的那幾類異常現象，我們能夠蒐集到一些與它們有關的基本事實。暗物質似乎是一片不可見粒子的海洋，它們充斥在空間各處，密度並不均勻；暗能量則均勻分布，就好像與空間本身的結構交織在了一起。科學家還沒能再現伽勒當年的壯舉——將望遠鏡指向天空便明確無誤地瞥見了未被看到的目標，但令人心動的線索及暗示，比如粒子探測器裡的神秘信號，數量卻在不斷增長。

儘管海王星是作為暗中影響天王星的一股神秘力量而被發現的，但它本身也是一顆令人著迷的星球。這樣的情況會在暗物質和暗能量身上再現嗎？尤其是暗物質，科學家開始考慮這樣一種可能性——暗物質並非只是為解釋可見物質異常運動而發明出來的抽象概念，而是宇宙隱藏起來的另一面，內部有著豐富精彩的活動。它或許由許多種不同的粒子構成，通過自然界中的全新作用力發生相互作用——這樣一個完整的宇宙，靜悄悄地與我們自己的宇宙交織在了一塊。

宇宙隱暗面為解決粒子物理學百年難題而被提出的一種粒子，居然漂亮地解釋了宇宙學中的暗物質。

這些想法與科學家一貫沿用的如下假設有所出入，即暗物質和暗能量是宇宙中最不擅長「交際」的東西。自從20 世紀30 年代天文學家首次推斷暗物質存在以來，他們就把「不與其他東西相互作用」當成了暗物質的招牌屬性。天文觀測暗示，暗物質的總質量是普通物質的6 倍。星系和星系團全都被巨大的暗物質球包裹，天文學家稱之為「暗物質暈」（dark matter halo）。如此大量的物質居然能避開直接檢測，天文學家據此推論：暗物質必定由幾乎不與普通物質互動、當然彼此間也幾乎不發生相互作用的粒子構成。它們唯一的作用，就是為發光物質搭建引力「腳手架」。

天文學家認為，暗物質暈在宇宙早期率先形成，然後才把普通物質吸引了進來。普通物質由於擁有一系列豐富多樣的互動能力而發展出了錯綜複雜的結構，毫無生氣的暗物質卻依然停留在原始狀態。至於暗能量，它唯一的作用似乎就是加速宇宙膨脹，而且現有證據表明，自宇宙誕生以來，暗能量就完全沒有發生過任何變化。

推動人們對「暗物質可能會更有生氣」產生預期的，與其說是天文學研究，倒不如說是對原子內部運作機制和亞原子粒子微觀世界的細緻探索。粒子物理學家有這樣一個傳統：能夠在已知物質的行為當中看出未知物質形式的蛛絲馬跡。他們的證據提供了完全獨立於宇宙中異常運動的另一條線索。對於暗物質而言，這條思路最早可以追溯到20 世紀初放射性β 衰變的發現。為瞭解釋放射性β 衰變這種現象，當時的義大利理論學家恩裡科· 費米（Enrico Fermi） 假定，自然界中存在一種新的作用力和一類新的作用力傳遞粒子，是它們導致了原子核的衰變。新的作用力類似於電磁力（electromagnetism），新的粒子則類似於光子（photon）—— 不過有一點不同，而且至關重要。光子沒有質量，因而運動能力超強，費米卻主張這些新粒子必須很重。它們的質量會限制它們的活動範圍，這樣才能解釋為什麼這種作用力能夠導致原子核分裂，卻無法在其他情況下被人察覺。為了能夠再現出觀測到的放射性同位素的半衰期（half-life），這些新粒子必須相當重——大約是質子質量的100 倍，換算成粒子物理學裡的標準單位，就是大約100 GeV（十億電子伏特）。這種新的作用力現在被稱為弱核力（weak nuclear force），假想中的弱核力傳遞粒子則是W 粒子和Z 粒子，已經在20 世紀80 年代被人發現。它們本身並不是暗物質，但它們的性質暗示了暗物質的存在。按照粒子物理學家的經驗來推測，它們不應該有這麼重才對。這麼大的質量暗示，有東西在對它們施加影響——新的粒子導致它們承擔了更多的質量，就好像一位朋友老是誘惑你再多吃一塊蛋糕一樣。大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）的一項任務就是要尋找這些粒子，它們的質量應該跟W 粒子和Z 粒子的質量相當。事實上，物理學家認為排著隊等待被發現的粒子或許多達好幾十種——按照所謂的超對稱（supersymmetry）原理，每種已知粒子都有一種未知粒子與它對應。在這些假想的粒子當中，有一大類被統稱為弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）。之所以起這個名字，是因為這些粒子只通過弱核力發生相互作用。由於跟主宰著日常世界的電磁力完全「絕緣」，這些粒子根本是看不見的，也幾乎不會對普通粒子產生任何直接的影響。因此，它們成了宇宙中暗物質的完美候選者。

不過，這些粒子能否真正解釋暗物質，還取決於它們的數量有多少。而這，正是粒子物理學觀點真正吸引眼球之處。與其他任何種類的粒子一樣，WIMP 粒子也是在宇宙大爆炸的「烈焰」中產生的。在宇宙的極早期，高能粒子碰撞既能創造WIMP 粒子，也能摧毀WIMP 粒子，因而在任意時刻，都會有一定數量的WIMP 粒子存在。這一數量會隨時間而變，具體取決於受宇宙膨脹驅動的兩個相互牴觸的效應。第一個效應是宇宙這鍋「原湯」的冷卻，這會降低可用於產生WIMP 粒子的能量，因此它們的數量會減少。第二個效應是粒子的稀釋，這會降低粒子碰撞發生的頻率，直到碰撞實際上不再發生為止。到了此時，也就是大爆炸後大約10 納秒（nanosecond， 十億分之一秒），WIMP 粒子的數量便被凍結了下來。宇宙不再擁有創造WIMP 粒子所需的高能量，也不再具備摧毀它們所需的高密度。

根據WIMP 粒子的預期質量以及它們的相互作用強度（這決定了它們彼此湮滅的發生頻率），物理學家很容易就能計算出應該會有多少WIMP 粒子被保留下來。令人驚訝的是，這樣計算出來的 WIMP 粒子數量不多不少，在質量和相互作用強度的估算精度之內，剛好能夠解釋今天宇宙中的暗物質。如此不同尋常的吻合，被科學家稱為「WIMP 巧合」（WIMP coincidence）。為解決粒子物理學領域的百年難題而被提出的粒子，就這樣乾淨利落地解釋了宇宙學的觀測事實。

這條證據鏈同樣暗示，WIMP 粒子幾乎不發生相互作用。簡單估算一下就能夠預言，從你開始閱讀這篇文章時算起，已經有將近十億個這樣的粒子從你的身體裡穿過，除非你極其幸運，否則不會有任何一個粒子產生任何可以識別的影響。平均需要一年的時間，你才有可能遇到一個 WIMP 粒子，被你細胞裡的原子核散射，釋放出極其微弱的能量。為了有希望檢測到這樣的事件，物理學家建起了粒子探測器，長期監測大量的液體或者其他物質。天文學家還在尋找星系中的輻射爆發現象，這可能標誌著在星系中盤旋的 WIMP 粒子發生了罕見的碰撞及湮滅事件。尋找WIMP 粒子的第三種方法，則是在地球上的實驗室裡嘗試著去合成它們。

著名的子彈星系團是天文學家手中最令人信服的暗物質證據之一。它實際上是一對相撞的星系團。碰撞並沒有影響星系裡的恆星（可見光圖像），因為在星系團尺度下，恆星實在是太小了，但星際氣體雲狠狠地撞在了一起，釋放出X 射線（粉色）。暗物質（藍色）的引力扭曲了背景天體發出的光，暴露了它自身的存在。暗物質與恆星依然交融在一起——表明不論是什麼粒子構成了暗物質，它們都非常不喜歡發生相互作用。制條件，排除了一大類理論模型。儘管這些觀測結果「毫無結果」，但理論上存在一個複雜暗宇宙的情形現在已經深入人心，以至於許多科學家認為，如果真的證明暗物質不過是一團團毫無差別的WIMP 粒子，反倒會令人大跌眼鏡。畢竟，可見物質由一大堆各種各樣的粒子構成，發生著由更深層次優美對稱原理決定的多種相互作用，沒有跡象表明，暗物質和暗能量會有任何不同。我們或許不會遇到暗恆星、暗行星或者暗人類，但就像我們很難想像沒有了海王星、冥王星（Pluto）和一大堆更偏遠天體的太陽系會是一個完整的太陽系一樣，或許有朝一日，我們也將很難想像沒有一個錯綜複雜而且令人著迷的暗世界的宇宙會是一個完整的宇宙。