對于大部分天文學(xué)家來說，暗物質(zhì)其實(shí)和恒星、行星一樣，是一種可供觸摸的東西。我們照例能夠繪制它們的分布圖。我們想像星系是由暗物質(zhì)和少量可見物質(zhì)構(gòu)成的團(tuán)塊。我們可以在暗物質(zhì)的語義環(huán)境下，理解宇宙結(jié)構(gòu)的形成，以及宇宙作為一個整體的演化方式。但是多年以來，許多手法老道的搜尋行動都以失敗告終，無法直接檢測到這種物質(zhì)。我們看到了它的影子，但仍然對宇宙的黑暗面一無所知。
暗物質(zhì)當(dāng)然不是常規(guī)物體或粒子——這種可能性在很久以前就已經(jīng)被我們排除。理論預(yù)測傾向于認(rèn)為這是一種新奇的粒子，它只能和常規(guī)物質(zhì)發(fā)生弱的相互作用。不計(jì)其數(shù)的這些粒子，可能無時無刻不在穿越我們的行星，按理說它們總會留下一點(diǎn)蛛絲螞跡。物理學(xué)家在低溫容器中裝滿生長晶體，把它們深埋在地底，剔除普通粒子，尋找是否有某種我們從未見過的東西在那里經(jīng)過并留下微小的脈沖熱信號和閃光。結(jié)果并不令人鼓舞。人們在美國南達(dá)科他州一座廢棄的金礦里安裝了所謂的LUX實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)果一無所獲。在地底2.4千米深處進(jìn)行的中國熊貓計(jì)劃（PandaX）一無所獲。在法國阿爾卑斯山附近1.7千米地底隧道中進(jìn)行的EDELWEISS實(shí)驗(yàn)也一無所獲。隨著時間的推移，這個一無所獲的名單還在不斷加長。
零成果迅速地收縮了暗物質(zhì)可能存在的空間。由于數(shù)據(jù)的缺乏，理論物理學(xué)家提出的新設(shè)想不免顯得更加古怪、離奇，這些新方案中的大部分更加難以檢測。有人期待我們可以用粒子加速器來制造暗物質(zhì)粒子，這樣我們就可以通過檢測是否有能量在粒子對撞中損失，來推斷暗物質(zhì)的存在。但是到目前為止什么也沒有發(fā)現(xiàn)。部分理論家猜想暗物質(zhì)根本不存在，是引力理論——愛因斯坦的廣義相對論——把我們帶入了歧途。廣義相對論告訴我們，假如沒有一種看不見的物質(zhì)維系，星系就會瓦解，也許這個理論是錯的。但是事實(shí)證明廣義相對論能夠通過其它觀測結(jié)果的檢驗(yàn)，其競爭對手看上去也都有致命缺陷。
百分之八十五的物質(zhì)是看不見的。而最讓人感到恐懼的是，這種情況還會一直延續(xù)下去。
雖然大部分實(shí)驗(yàn)讓人失望，但仍有兩個自稱有所發(fā)現(xiàn)。它們都高度可疑。這些門外漢可能犯了錯，不過卻值得一提。至少它們證明，要通過對宇宙的一知半解來尋找暗物質(zhì)是多么困難。
人們在意大利北部山區(qū)地底1.4千米深的一條隧道里安裝了所謂的DAMA/LIBRA粒子傳感器，試圖尋找分散在碘化鈉晶體原子核周圍由暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的閃光。人們收集了13年的數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)了一些非常奇怪的東西。人們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線會發(fā)生季節(jié)性波動，每年六月達(dá)到最高值，十二月跌入最低值。
我們看到了它的影子，但仍然對宇宙的黑暗面一無所知。
這種表現(xiàn)恰好符合我們對暗物質(zhì)的預(yù)期。人們認(rèn)為暗物質(zhì)會在銀河系周圍形成一個巨大的暈。從中穿越的行星和這個暈的相對速度會發(fā)生周期性變化，因?yàn)樾行菚@太陽運(yùn)行。地球和這個暈的相對速度會在每年六月達(dá)到最高點(diǎn)，十二月達(dá)到最低點(diǎn)。因此傳感器獲得的數(shù)據(jù)中也會出現(xiàn)周期性的波動。
DAMA動用了足夠多的數(shù)據(jù)來進(jìn)行這種統(tǒng)計(jì)，它所發(fā)現(xiàn)這種周期性變化無可否認(rèn)是存在的。但其它粒子產(chǎn)生源或機(jī)制也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)中出現(xiàn)類似波動，例如地下水的流動會影響到輻射的背景基準(zhǔn)，又比如大氣層中的μ介子。全球其它五個實(shí)驗(yàn)裝置聲稱他們獲得的數(shù)值極限和DAMA公布的不符。不過最信得過的方法是把相同的傳感器安裝在不同地點(diǎn)，這一工作現(xiàn)在已經(jīng)開始實(shí)施。其中一臺傳感器會被安裝在南極。在那里，季節(jié)產(chǎn)生的效應(yīng)和在意大利極為不同。
第二個有趣的暗物質(zhì)跡象來自間接實(shí)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)并非是尋找這些粒子本身，而是尋找它們互相碰撞湮滅后產(chǎn)生的所謂“二手”粒子。2008年，一顆名為PAMELA（正反物質(zhì)探索和輕核天體物理學(xué)載荷）的意大利-俄羅斯合作衛(wèi)星觀測到來自深空的正子——也就是反電子的數(shù)量超出預(yù)期。最近該觀測結(jié)果又被國際空間站上的阿爾法磁光譜儀證實(shí)。與此同時，費(fèi)米衛(wèi)星報(bào)告說在銀河系中心方向觀測到一團(tuán)模糊的伽瑪射線光暈——而這正是人們心目中暗物質(zhì)應(yīng)該具有的形態(tài)：它以星系核為中心呈球狀對稱，且中心密度要高于四周。
這些觀測成果好得讓人不敢相信。不幸的是，無論是正子，還是伽瑪射線都可以用急速旋轉(zhuǎn)的中子星，也就是所謂的毫秒脈沖星來解釋。正子的結(jié)果和暗物質(zhì)候選者的特征不匹配。要弄明白這些事，我們需要核實(shí)這些正子是否來自已知的中子星。伽瑪射線中出現(xiàn)的波動更像來自銀河中心附近那些弱的、未被解析出來的大量脈沖信號源。要想知道伽瑪射線是否來自暗物質(zhì)，天文學(xué)家必須對鄰近的小型矮星系進(jìn)行檢測，尋找類似信號。因?yàn)檫@些矮星系所含的暗物質(zhì)比例要比銀河系高。但人們并沒有找到這樣的信號。
人們致力于尋找的目標(biāo)大多是那種最為簡單的候選粒子，也就是所謂的“弱相互作用大質(zhì)量粒子”?！叭酢痹谶@里有雙重含義：一是指它們的相互作用非常弱，二是指它們的相互作用是通過所謂的弱核力進(jìn)行的。這樣的粒子是粒子物理學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)模型的自然延伸。即便對細(xì)節(jié)一無所知，“弱”這個形容詞所透露出的信息也足以讓我們對有多少這樣的粒子擴(kuò)散在宇宙中進(jìn)行計(jì)算。在大爆炸產(chǎn)生的熾熱原初湯時期，粒子是自然而然被制造出來和消滅的。隨著宇宙的膨脹，溫度開始下跌，于是各種質(zhì)量、各種類型的粒子一個個出現(xiàn)了。這些粒子依然是可以被消滅的，它們被消滅的難易程度取決于它們相互作用的強(qiáng)度。這種情況會一直持續(xù)到它們由于過于分散而無法再互相接觸為止。
如果我們知道了這些弱相互作用大質(zhì)量粒子相互作用的強(qiáng)度，那么我們就可以算出，在早期宇宙這口大鍋里，曾經(jīng)制造出足夠多的暗物質(zhì)。這些暗物質(zhì)多到能夠被直接觀測到，構(gòu)成它們的粒子至少要比質(zhì)子重?cái)?shù)百倍。總而言之，在宇宙的早期，曾經(jīng)出現(xiàn)過一段物理學(xué)家夢寐以求的時期，出現(xiàn)過“弱相互作用大質(zhì)量粒子的奇跡”。
美麗的假說常常會被丑陋的現(xiàn)實(shí)擊毀，而這可能就是其中一例。物理學(xué)家因此更加熱切地渴望，探索另一種遙遠(yuǎn)的可能。
我們現(xiàn)在的境遇是所有科學(xué)家都夢寐以求的。原有的觀點(diǎn)不再有效；新的觀點(diǎn)需要被提出。
也許暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量極為巨大。有一個基本事實(shí)，粒子的質(zhì)量越大，構(gòu)成等量物質(zhì)所需的粒子數(shù)就越少。因此它們可能只是數(shù)量實(shí)在過于稀少，以致于我們的傳感器很難撞見。物理學(xué)家可能需要尋求某種完全不同的策略，這種策略可能會涉及到古老的中子星等天體會對這些粒子產(chǎn)生什么樣的效應(yīng)。
另一方面，暗物質(zhì)粒子也有可能質(zhì)量太小，以致于無法在我們的傳感器上留下印記。要尋找它們，物理學(xué)家可能需要利用大自然賜予我們的一個巨型傳感器：太陽。太陽在銀河系的暗物質(zhì)云中穿行時會持續(xù)地掃過暗物質(zhì)粒子。這些暗物質(zhì)粒子會被太陽內(nèi)部的質(zhì)子散射并改變太陽的溫度特征。而這會影響到太陽外層湍流氣體的上升、下降和回旋。我們可以利用日震學(xué)原理，來研究存在于太陽內(nèi)部的擾動，及其在太陽表面呈現(xiàn)出來的結(jié)果，就像我們通過地震學(xué)來研究地球一樣。事實(shí)證明，太陽的震動的確存在著某種不符合標(biāo)準(zhǔn)太陽模型的異常。
假如暗物質(zhì)粒子能夠在太陽內(nèi)部堆積，那么它們也會在太陽的內(nèi)部發(fā)生湮滅。這會導(dǎo)致太陽產(chǎn)生高能中微子。這些中微子能夠被諸如日本Super-Kamiokande和南極IceCube觀測站這樣的傳感器感知到。但到目前為止還沒有任何候選事件被發(fā)現(xiàn)。
超輕粒子的最極端類型是所謂的軸子，這是一種假想中的弱相互作用粒子，其質(zhì)量只有質(zhì)子的萬億分之一甚至可能更小。它可能并非完全不可見，它會和電磁力發(fā)生作用，并在強(qiáng)電磁場腔內(nèi)產(chǎn)生微波光子。致力于尋找軸子的實(shí)驗(yàn)從1980年代就已經(jīng)開始，但收獲甚微。
也許暗物質(zhì)粒子甚至都不是一種粒子，而是“非粒子”。非粒子是那些能量不由離散包構(gòu)成的電磁場的遠(yuǎn)親。它們會在對撞數(shù)據(jù)中留下間接蹤跡。也許暗物質(zhì)的身份并不只有一種。畢竟，常規(guī)物質(zhì)也是由那么多種不同的粒子構(gòu)成的。暗物質(zhì)可能是由多種粒子混合構(gòu)成的。如果我們只著眼于一種，那么其蹤跡就會被稀釋，搜尋工作自然也十分艱難。也許暗物質(zhì)之間根本不會發(fā)生除了引力之外的相互作用，而這必然成為實(shí)驗(yàn)者的夢魘。
從某種意義上來說，我們現(xiàn)在的境遇是所有科學(xué)家都夢寐以求的。原有的觀點(diǎn)不再有效；新的觀點(diǎn)需要被提出。新的觀點(diǎn)可能來自對新奇粒子的探索，也可能來自一種能夠把暗物質(zhì)現(xiàn)象包含在內(nèi)的新引力理論。
但人們總是擔(dān)心，大自然會不會把物理新知放在了我們找不到的地方。雖然我們用來尋找暗物質(zhì)粒子的方法還未耗盡，但我們能做的實(shí)驗(yàn)也只有那么多。當(dāng)傳感器對暗物質(zhì)的敏感性變得越來越高時，它們對垃圾粒子的敏感性也在提高，而它們并不總能把二者加以區(qū)別。以當(dāng)前的敏感性提升速度，十年之內(nèi)，它們就無法識別檢測到的中微子是來自太陽，還是來自宇宙射線對地球大氣的轟擊了。
太陽有一顆黑暗的心。太陽是一臺自然暗物質(zhì)傳感器。其掃過的任何暗物質(zhì)都有可能影響它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這種變化可以通過監(jiān)測太陽表面的振蕩發(fā)現(xiàn)。圖中，太陽表面正在遠(yuǎn)離我們的區(qū)域以紅色表示，正在靠近我們的區(qū)域以藍(lán)色表示。AURA / NSO / 美國國家科學(xué)基金會
但我們?nèi)匀豢梢宰非蟀滴镔|(zhì)檢測的非直接意義。最有希望的努力，是智利和加納利群島共建的、由100多個望遠(yuǎn)鏡組合而成的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。這個望遠(yuǎn)鏡陣列將參與到人類在銀河系及其它星系尋找因暗物質(zhì)湮滅而產(chǎn)生的伽瑪射線行動中來。但該舉措最終也會遇到另一個問題：成本。目前，暗物質(zhì)檢測屬于主流物理實(shí)驗(yàn)中最經(jīng)濟(jì)的一種，但假如我們不斷地增加它們的大小，提升它們的敏感度和復(fù)雜程度，它們的造價就會變得像大型強(qiáng)子對撞機(jī)（70億美元）和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（80億美元）那樣巨大，而且還無法擔(dān)保一定成功——這對政客來說可不是一樁好買賣。
尋找暗物質(zhì)最有力的武器是新型粒子對撞機(jī)。物理學(xué)家打算在三十年內(nèi)建造一臺威力比大型強(qiáng)子對撞機(jī)高七倍的新對撞機(jī)。中國和歐洲在這方面都已經(jīng)開始行動。即便只是大型強(qiáng)子對撞機(jī)的簡單放大，以今天的物價計(jì)算，其造價也高達(dá)250億美元。如果進(jìn)行跨國合作和分期實(shí)施，理論上它是行得通的。但它也有可能會遇到極限。即便物理學(xué)家擁有無限的資源，也并不是對撞機(jī)造得越大，我們的收獲就會越多。用這種方法尋找的未知粒子還必須擁有足夠大的質(zhì)量，且它們的產(chǎn)生方式必須和那些較輕粒子的產(chǎn)生方式相同，然而誰也不能保證宇宙大爆炸制造出了足夠多的這類粒子。
就算這樣賣力，我們也可能一無所獲。這樣的前景是灰暗的。也許根本不存在暗物質(zhì)。我們?nèi)栽趶V義相對論中尋找錯誤。但到目前為止我們還沒有找到。恰恰相反，2016年我們通過引力波發(fā)現(xiàn)了一對并合的黑洞。這讓愛因斯坦的理論更加令人信服——與此同時讓我們更加堅(jiān)信暗物質(zhì)的存在。
還是讓我們看看宇宙光明的一面。如果我們不搜尋，我們就發(fā)現(xiàn)不了和大自然黑暗面有關(guān)的大量秘密和啟示。我們?nèi)栽趯ふ疫@些粒子，我們接下去所能做的，也只有擼起袖子，加油干。
原作 Joseph Silk / 編譯 老孫
