我們所能看到的只是實(shí)際存在中的極小一部分?？茖W(xué)家正試著尋找那些我們看不到的東西：暗物質(zhì)和暗能量。過去人們常說，宇宙學(xué)家——就是那些將宇宙作為一個(gè)整體對(duì)其進(jìn)行研究的科學(xué)家——“經(jīng)常犯錯(cuò)卻從不迷茫”。
現(xiàn)如今，他們犯的錯(cuò)少了，但他們的疑惑卻與日俱增，幾乎和我們這些外行一樣茫然了。
經(jīng)過10年的研究，運(yùn)用最新最好的望遠(yuǎn)鏡、探測器、計(jì)算機(jī)，宇宙學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)可以確定，宇宙創(chuàng)生于138.3億年以前，創(chuàng)生之初比一個(gè)原子還小。我們最初探測宇宙背景輻射的時(shí)候，微波輻射顯示宇宙只有37.8萬歲，相比于現(xiàn)在，這一測量的精度只有0.1%。
在推知宇宙年齡的同時(shí)，宇宙學(xué)家推斷，所有他們能看到的恒星、星系，其實(shí)只占宇宙總質(zhì)量的5%。那些隱匿的部分，27%是暗物質(zhì)，68%是暗能量。二者都非常神秘。暗能量被認(rèn)為是導(dǎo)致宇宙膨脹的原因，同時(shí)也構(gòu)成宇宙大尺度特性——但是沒人能說清楚它到底是什么。現(xiàn)在，暗能量一詞被用來表示一切加快宇宙膨脹速率的物質(zhì)，已經(jīng)變成我們用以稱呼“人類目前還不了解的宇宙大尺度特性的慣用標(biāo)簽”了。
宇宙學(xué)家認(rèn)識(shí)到，他們的處境恰恰如同1804年托馬斯·杰斐遜的處境。杰斐遜總統(tǒng)委派劉易斯和克拉克探索西部，臨行前他曾提醒遠(yuǎn)征隊(duì)要小心長毛猛犸象：杰斐遜總統(tǒng)以及與他同時(shí)代的人已經(jīng)意識(shí)到，從密西西比河到太平洋沿岸的北美洲地域廣大而重要，但對(duì)于那里究竟生活著什么——猛犸象？華南虎？甚或袋鼠——他們只有一個(gè)模糊的概念。
影子般的暗物質(zhì)
最早的暗物質(zhì)普遍存在的跡象，是瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基在20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)他供職于南加利福尼亞州威爾遜山天文臺(tái)，正在測量后發(fā)座星系團(tuán)中星系的相對(duì)速度和平均速度，這一星系團(tuán)距離地球3.21億光年。動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果顯示，這個(gè)星系團(tuán)應(yīng)該早就從太空中消失了。然而事實(shí)是，后發(fā)座星系團(tuán)已經(jīng)存在幾十億年了。據(jù)他推斷，這只能意味著，“宇宙中，暗物質(zhì)的密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見物質(zhì)的密度”。后續(xù)的研究表明，在宇宙的初創(chuàng)階段，如果沒有暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力將原始材料聚集在一起，星系永遠(yuǎn)都不可能創(chuàng)生。
暗物質(zhì)并非比較不起眼的普通物質(zhì)，這樣解釋遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。大量不可見物質(zhì)，甚至排除黑洞、矮星、冷氣體云以及被逐出出生之地的流浪行星這些暗淡的天體，它們的質(zhì)量加起來也5倍于那些可見的普通物質(zhì)質(zhì)量的總和。因此科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)肯定很奇異。理論物理學(xué)家在超對(duì)稱量子物理領(lǐng)域所做的工作，已經(jīng)魔法般地召喚出了許多種不可見物質(zhì)，它們中的一種甚至幾種，很有可能最終被證明就是暗物質(zhì)。但是目前，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都不盡如人意，其中包括位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，其結(jié)果都否定了幾個(gè)版本的對(duì)稱性。理論學(xué)界的氛圍，如同理論學(xué)家自己常說的那樣，“一片灰暗”。相較于將其精確地定義為暗物質(zhì)，大多數(shù)科學(xué)家往往更愿意稱自己是在尋找弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）。
WIMP不與普通物質(zhì)相互作用，而是只在它們之間相互作用，這個(gè)猜想已經(jīng)被在子彈星系團(tuán)中找到的證據(jù)證實(shí)。該星系團(tuán)最初是由兩個(gè)原始星系團(tuán)碰撞產(chǎn)生的，距地球30億光年。在美國航空航天局錢德拉X射線天文臺(tái)的幫助下，天文學(xué)家在子彈星系團(tuán)中心發(fā)現(xiàn)了大量熱氣體，而熱氣體通常被認(rèn)為是普通物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的。但當(dāng)天文學(xué)家追蹤子彈星系團(tuán)的引力場時(shí)，他們卻發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)更為巨大的質(zhì)量中心，也就是碰撞產(chǎn)生子彈星系團(tuán)的那兩個(gè)原始星系團(tuán)，進(jìn)一步說，這便是碰撞的中心。由此他們得出結(jié)論，雖然那兩個(gè)星系團(tuán)的可見物質(zhì)結(jié)構(gòu)像兩列裝滿軍火的列車，壯烈地相撞并融合在了一起，但它們各自所載的暗物質(zhì)貨物，卻沒有參與這次慘烈的碰撞，也即沒有損失。
即使正如有些科學(xué)家預(yù)測的那樣，暗物質(zhì)粒子普遍地存在，成千上萬的暗物質(zhì)時(shí)時(shí)刻刻充斥在我們每個(gè)人的身邊。而且，目前運(yùn)行著的暗物質(zhì)探測器，其科技水平之精妙簡直如同法貝熱彩蛋的藝術(shù)工藝。但暗物質(zhì)的超然狀態(tài)，還是讓想要切實(shí)捕捉到它的實(shí)驗(yàn)者受到空前挑戰(zhàn)。
這些探測器中，有耗資20億美元的反物質(zhì)太空磁譜儀（AMS），它正在國際空間站中搜尋著星系中心暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。不過，大多數(shù)暗物質(zhì)探測器在地球上探測暗物質(zhì)粒子和普通粒子之間的相互作用。這些地球探測器被安置在地表以下極深處的地下實(shí)驗(yàn)室，以盡量減少來自宇宙的高速正常物質(zhì)粒子的入侵，并且用冷卻晶體、液態(tài)疝或氬作為屏蔽材料，包裹探測器以隔絕輻射。天然礦石地層也是很好的屏蔽材料。（鉛礦石只有微量輻射，因此最近的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都在鉛礦中進(jìn)行。一項(xiàng)在明尼蘇達(dá)州的首丹鉛礦，另一項(xiàng)在意大利的拉奎拉，那里有古羅馬時(shí)代的鉛礦遺跡。由于歷史久遠(yuǎn)，鉛礦石排放的輻射更少。）
美國的大型地下疝探測器（LUX）是同類探測器中最靈敏的一個(gè)，它被安置在南達(dá)科他州一處廢棄的鉛礦中，距地表近1500米。該探測器2013年開始運(yùn)行，至今一無所獲;目前正在以更高的靈敏度繼續(xù)搜尋。迄今，雖然有的搜尋計(jì)劃找到一些影子般的線索，但仍沒能找到有關(guān)暗物質(zhì)的確切證據(jù)。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在經(jīng)過一段時(shí)間的關(guān)機(jī)維修、升級(jí)后，于2015年按計(jì)劃恢復(fù)運(yùn)行，升級(jí)后的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能量得到提升，或許能產(chǎn)生幾個(gè)暗物質(zhì)粒子。但這種奇特的物質(zhì)難以估計(jì)，因?yàn)槲覀儗?duì)它的了解實(shí)在太少?？傊?，這項(xiàng)任務(wù)不是懦夫能完成的。
比暗物質(zhì)更神秘的暗能量
或許，與暗能量的神秘相比，暗物質(zhì)之謎都會(huì)顯得寡淡無味。物理學(xué)家史蒂文·溫伯格稱暗能量為“物理學(xué)的核心問題”，天文學(xué)家邁克爾·特納認(rèn)為它是“科學(xué)問題中最深?yuàn)W、神秘的一個(gè)”。
1998年，兩個(gè)獨(dú)立研究的天文學(xué)家小組同時(shí)宣稱，根據(jù)觀測研究可以確知，宇宙膨脹正在不斷加速中。隨后，特納最先提出“暗能量”這個(gè)名詞。天文學(xué)家的上述結(jié)論，是通過觀察一類特定的恒星的爆炸而得出的。這類爆炸，必須要足夠亮，這樣我們才能從地球上觀測到它;此外亮度維持的時(shí)間也要相對(duì)較長，以便我們計(jì)算出該星系與地球間的距離。在星系中，引力扮演著剎車的作用，阻止宇宙膨脹。因?yàn)橐ζ毡榇嬖?，所以?dāng)時(shí)的天文學(xué)家認(rèn)為宇宙膨脹的速度應(yīng)該逐漸放緩。然而，他們發(fā)現(xiàn)恰恰相反：在過去的五六十億年間，宇宙膨脹一直在不斷加速。
今天，我們正在以空前的精度觀測宇宙，暗能量到底在何時(shí)出現(xiàn)，這種能量在強(qiáng)度上將一直維持不變還是會(huì)逐漸加強(qiáng)，這些問題都要到目前的觀測中去尋找答案。這種觀測還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)——能借此窺探過去：當(dāng)我們研究一個(gè)距我們幾十億光年的星系時(shí)，我們看到的是它幾十億年前的樣子。當(dāng)然，這也要受到望遠(yuǎn)鏡、數(shù)字探測器的性能的限制。要想寫出更為精準(zhǔn)的宇宙歷史，依舊需要更好的設(shè)備。
天文學(xué)家期盼的新設(shè)備已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了。比如在新墨西哥州阿帕奇天文臺(tái)，重子振動(dòng)分光鏡勘測（BOSS）項(xiàng)目擁有一個(gè)直徑2.5米的望遠(yuǎn)鏡，將以前所未有的精度探測宇宙距離。此外，在智利安第斯山脈，暗能量巡天（DES）項(xiàng)目使用布蘭科望遠(yuǎn)鏡正在同時(shí)收集300多個(gè)星系的相關(guān)數(shù)據(jù)。歐空局的歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡，按計(jì)劃將在2020年發(fā)射，計(jì)劃精確測量過去100億年間的宇宙動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。我們對(duì)大口徑綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（LSST）項(xiàng)目的期望也很高，它目前正在智利中北部建設(shè)中，距布蘭科望遠(yuǎn)鏡只有幾千米。它的主鏡直徑將達(dá)到8.4米，并配備有迄今最大的數(shù)碼相機(jī)，發(fā)射運(yùn)行后，它將不間斷地對(duì)可觀測宇宙進(jìn)行全天拍攝，圖像覆蓋整個(gè)南天。每個(gè)月它將完成10余次這樣的拍攝。
BOSS被譽(yù)為SDSS 的繼承者，它將選擇北半球天空中的一部分， 從銀河系最厚的部分進(jìn)行觀測。
有了這些設(shè)備，宇宙學(xué)家希望能夠重建宇宙的歷史，通過直接測量宇宙膨脹速度，解釋暗能量的出現(xiàn)及其影響。這個(gè)問題的重要性，可能不亞于對(duì)宇宙未來的研究。如果我們身處其中的宇宙，將在不斷膨脹中逐漸被暗能量所主宰，大多數(shù)星系最終都將從彼此的視線中消失，那么未來的宇宙學(xué)家所能觀測到的星系，將寥寥無幾，只留下周邊幾個(gè)鄰居和一片漆黑的宇宙。
在不遠(yuǎn)的將來，理解暗能量或許需要對(duì)我們以前所構(gòu)想出的宇宙觀念，進(jìn)行根本性的改進(jìn)。天體之間的空隙長久以來一直被認(rèn)為是純粹空虛的，雖然艾薩克·牛頓曾經(jīng)說過，假如日地間的這段距離是完全空洞的，他無法想象地球居然能靠著引力繞太陽持續(xù)運(yùn)行。
20世紀(jì)的量子場論，論證了空間并不“空”，而是充斥著量子場，量子場無處不在。常被描述成是構(gòu)建物質(zhì)的原料的質(zhì)子、電子以及其他粒子，它們本身就是量子場的激發(fā)態(tài)。當(dāng)場接近最低能級(jí)時(shí)，空間看起來虛空。但當(dāng)場重新受到激發(fā)，空間中就重新充斥著可見物質(zhì)及能量。數(shù)學(xué)家盧奇亞諾·波伊將空間比作阿爾卑斯山上一個(gè)池塘中的水：平靜時(shí)我們看不見它，但一陣微風(fēng)拂過水面，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它確實(shí)存在?！翱臻g并不虛空，”美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒曾經(jīng)說，“這就是物理學(xué)最精彩也是最令人驚訝的地方。”
宇宙是如何膨脹的？為什么膨脹貌似越來越快？在過去的一個(gè)世紀(jì)里，物理學(xué)家對(duì)這些問題的理解主要依賴于愛因斯坦的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論具有極強(qiáng)的解釋力，但在微觀層面上它失靈了。微觀世界受量子場論支配，人們也往往認(rèn)為，宇宙加速膨脹的根本原因，能從量子場論中找到答案?；蛟S，我們需要一種新理論來解釋暗能量：空間和引力領(lǐng)域的量子理論。
目前，科學(xué)家面臨的尷尬是，他們并不知道空間中包含多少能量，無論是暗能量或是其他什么。量子理論家嘗試計(jì)算1升看似虛空的空間中包含有多少能量，得出一個(gè)很大的數(shù)字，而天文學(xué)家根據(jù)暗能量觀測得出的數(shù)字要小得多。這兩個(gè)結(jié)果間的差距大得驚人：10121——數(shù)字1后跟著121個(gè)0，這一數(shù)字甚至超過了我們觀測到的恒星的數(shù)量，以及地球上的沙粒的數(shù)量。這是整個(gè)科學(xué)史上，理論與觀測間出現(xiàn)過的最大的差值。顯然，還有某些東西對(duì)空間非常重要，但我們還沒找到它。因此，對(duì)空間中的一切物質(zhì)，包括星系、恒星、行星甚至是人類自身，都要進(jìn)行更深入的了解。
不過，這個(gè)難解的謎題已經(jīng)向我們敞開發(fā)現(xiàn)的大門了。從某種程度上講，愛因斯坦的廣義相對(duì)論是在解決水星軌道的計(jì)算與探測間的微小差異的過程中提出的，量子物理學(xué)在某種意義上說起源于對(duì)熱輻射傳播方式的解密。那么，在解決我們今天面臨的有關(guān)暗物質(zhì)和暗能量的困惑的過程中，人類又將學(xué)到些什么呢？正如物理學(xué)家尼爾斯·玻爾所說：“沒有矛盾，就沒有進(jìn)步?！?/p>
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