暗物質(zhì)
暗物質(zhì)是什么？
全宇宙的恒星正在爆炸，這些是宇宙的大災(zāi)難。但這些科學(xué)家認(rèn)為爆炸是太空深處的燈塔，照亮了一場(chǎng)極大規(guī)模的戰(zhàn)爭(zhēng)。交戰(zhàn)雙方是兩股神秘的無(wú)形力量。其中一種讓我們存在，另一種則讓我們毀滅。如今我們也陷入掙扎，試著了解這些龐大的力量，并了解黑暗之外的世界。
你、我、太陽(yáng)與恒星，我們所見(jiàn)的事物都有個(gè)共通點(diǎn)，我們都是由原子組成的。已知宇宙的物質(zhì)幾乎都是由原子組成。但宇宙還有更多奧秘，我們正開始發(fā)現(xiàn)這一面。我們的身體、家園、世界、甚至太空里廣大的虛空，都充滿了一種神秘物質(zhì)，這種物質(zhì)十分奇特。過(guò)去許多科學(xué)家懷疑其存在，但是在2009年，超敏感的粒子探測(cè)器首度發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)。這是驚天動(dòng)地的發(fā)現(xiàn)，讓我們必須重新檢視我們?cè)谟钪娴牡匚?，以及我們最終的命運(yùn)。
發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)
1960年，一位名叫Vera Rubin的天文學(xué)家決定去探索很少人研究的太空領(lǐng)域。她敘述道：那時(shí)她有兩個(gè)孩子，一個(gè)兩歲，一個(gè)四歲，她不想和其他天文學(xué)家一樣競(jìng)相研究熱門領(lǐng)域。Vera 知道如果要研究黑洞之類的熱門領(lǐng)域，其他天文學(xué)家會(huì)比她更早發(fā)表成果，因此她轉(zhuǎn)而研究冷門的天文學(xué)課題。當(dāng)時(shí)，她也不確定自己為何要研究星系，但她覺(jué)得星系非常神秘，當(dāng)時(shí)的她們了解也不多。尤其是關(guān)于星系的運(yùn)動(dòng)。起初，Vera用望遠(yuǎn)鏡觀察銀河系最近的鄰居——仙女座星系。跟多數(shù)星系一樣，恒星密集地聚在仙女座中心。Vera預(yù)期看到無(wú)數(shù)恒星圍繞著中央運(yùn)行，就像太陽(yáng)系的行星一樣，遵守牛頓的重力法則。恒星離中心越遠(yuǎn)，就運(yùn)行得越慢。
年輕時(shí)的Vera
Vera的父親在40年前退休時(shí)為她制作了一個(gè)太陽(yáng)系模型，在這個(gè)模型中可以觀察到牛頓的理論。水星、金星、地球和火星。火星的速度最慢，其次是地球，水星的速度最快。因?yàn)榛鹦鞘艿降闹亓h(yuǎn)小于水星受到的重力。所以，火星的運(yùn)行速度較慢。Vera在觀察星系時(shí)，認(rèn)為恒星也會(huì)以這種模式運(yùn)行，離中心越遠(yuǎn)，運(yùn)行得越慢。但是結(jié)果并非如此，她們花了兩年左右的時(shí)間，才測(cè)量到90個(gè)仙女座恒星的速度。結(jié)果非常驚人，她們發(fā)現(xiàn)所有恒星的運(yùn)行速度完全相同，都是每秒250公里。接下來(lái)的幾年，Vera觀察的星系都出現(xiàn)這種不可思議的結(jié)果，從星系中心到邊緣的恒星運(yùn)行速度都一樣。這跟太陽(yáng)系的現(xiàn)象完全不同。唯一的解釋就是，不管恒星離星系中心有多遠(yuǎn)，所受的重力都不會(huì)減弱。然而，這是不可能的，除非星系的質(zhì)量大于天文學(xué)家的觀察結(jié)果。合理的解釋是星系一定有大量的無(wú)形物質(zhì)，事實(shí)上或者90%-95%星系里的物質(zhì)都是無(wú)形的。
太陽(yáng)系模型
這是真正具有創(chuàng)新意義的觀念，星系也許充滿著看不見(jiàn)的物質(zhì)。科學(xué)家只能把它們稱為暗物質(zhì)。但這么激進(jìn)的理論需要確鑿的證據(jù)。不久就有許多天文學(xué)家檢視Vera的觀察結(jié)果。有的人很想推翻她的理論，有的人則很想了解這神秘的暗物質(zhì)究竟是什么，又存在于哪里。這實(shí)在很神奇，也很有趣。Vera選了這塊領(lǐng)域，因?yàn)樗胙芯科渌瞬辉诤醯臇|西。但突然間有很多人和她一起研究，他們提出看法與觀察結(jié)果，讓這塊領(lǐng)域變得熱門。
什么是暗物質(zhì)？
在大西洋對(duì)岸的英格蘭，頂尖的宇宙學(xué)家Carlos Frenk開始研究暗物質(zhì)的觀念。但他用的不是望遠(yuǎn)鏡而是方程式。他將牛頓重力法則輸入非常精密的計(jì)算機(jī)仿真程序。他介紹說(shuō)這臺(tái)宇宙機(jī)器是非常大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它的唯一目的就是模擬宇宙。這里有1300臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)作，即使如此，要模擬宇宙的一小部分也要花好幾個(gè)月。這種強(qiáng)大的運(yùn)算能力超乎我們的想象，但這是模擬宇宙的必要條件。
起初，Carlos進(jìn)行模擬時(shí)使用的是科學(xué)界公認(rèn)的初期宇宙成分。也就是虛空里的巨大氣體云。然后他就等著看這臺(tái)宇宙機(jī)器是否會(huì)制造出我們看到的星系。Carlos道：我們只用看得見(jiàn)的物質(zhì)，在計(jì)算機(jī)里仿真星系，結(jié)果會(huì)如何？恒星形成、演化、最大的恒星爆炸成為超新星，進(jìn)而散發(fā)極大能量。但是重力不足以留住這些氣體，所以星系會(huì)自行消散，氣體會(huì)消散殆盡。但宇宙并不是這樣形成的。
因此，Carlos將暗物質(zhì)加入方程式。他一點(diǎn)一點(diǎn)地增加，最后他增加的暗物質(zhì)是可見(jiàn)物質(zhì)的5倍。幾周后，宇宙機(jī)器出現(xiàn)奇怪的現(xiàn)象。Carlos發(fā)現(xiàn)這次計(jì)算機(jī)仿真星系的形成用的是無(wú)形的暗物質(zhì)和氣體，大爆炸發(fā)生約十億年后，形成團(tuán)狀暗物質(zhì)。氣體進(jìn)入這些團(tuán)狀暗物質(zhì)，形成恒星。無(wú)形暗物質(zhì)的重力將這些團(tuán)狀物凝聚起來(lái)，融合成更大的結(jié)構(gòu)。所以百億年后就形成美麗的螺旋星系。我們的銀河系就是這么來(lái)的。
模擬星系形成
Carlos證明如果有大量的暗物質(zhì)就能形成星系。但如何去證明真有其事？
驗(yàn)證暗物質(zhì)
在蘇格蘭的愛(ài)丁堡，Richard Massey仍在設(shè)法解開這個(gè)問(wèn)題。他創(chuàng)立了一種全新的方法探測(cè)暗物質(zhì)——重力透鏡。多虧了愛(ài)因斯坦，他用了全新角度觀察太空，他認(rèn)為太空是可彎曲變形的物質(zhì)，受重力影響。凡是有質(zhì)量的恒星或星系，都能扭曲太空的結(jié)構(gòu)，就像透鏡一樣。太空結(jié)構(gòu)一扭曲，通過(guò)的光線也會(huì)扭曲。
暗物質(zhì)不會(huì)反射光線，也不會(huì)吸收或發(fā)射光線。光線會(huì)通過(guò)暗物質(zhì)，不受影響。所以，我們要觀察其他地方。像是暗物質(zhì)如何用重力影響可見(jiàn)物質(zhì)。光線會(huì)因?yàn)榕で臅r(shí)空而偏斜，聽起來(lái)很瘋狂，其實(shí)這是很熟悉的現(xiàn)象，我們?？吹焦饩€扭曲。透過(guò)酒杯的底部就能看到。雖然酒杯底部是透明的，光線可以直接通過(guò)，但是背景影像扭曲了，所以光線也扭曲了。暗物質(zhì)就像這樣，會(huì)借著各種物理效應(yīng)扭曲光線，但是最后的結(jié)果都一樣。星系前方若有暗物質(zhì)，影響就會(huì)扭曲。
這兩年來(lái)Richard帶領(lǐng)各國(guó)的天文學(xué)家使用一批望遠(yuǎn)鏡觀察一部分夜空，尋找所有看得見(jiàn)的重力透鏡圓弧?！斑@個(gè)畫面是重力透鏡的影像，”Richard道：“這些黃點(diǎn)都是離我們較近的星系，這些奇怪的弧形其實(shí)是遠(yuǎn)方的星系。遠(yuǎn)方星系的光線會(huì)通過(guò)較近的黃點(diǎn)也就是前景星系。因?yàn)榍熬靶窍禃?huì)扭曲太空，也會(huì)扭曲遠(yuǎn)方星系的光線。因此，遠(yuǎn)方星系的影像就變成弧狀的光?！?/span>
Richard運(yùn)算遠(yuǎn)方星系的光線遭到扭曲的程度，再跟前景星系的可見(jiàn)質(zhì)量相比。他發(fā)現(xiàn)實(shí)際的弧度比理論上要大得多。因此，他推論無(wú)形的暗物質(zhì)一定遍布在所有的星系里。從重力透鏡的影像里，Richard他們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的數(shù)量是正常物質(zhì)的5倍，他們看到的還只是宇宙的冰山一角。宇宙里的大部分物質(zhì)都是暗物質(zhì)。
無(wú)論天文學(xué)家觀測(cè)哪里，他們都開始感受到大量的暗物質(zhì)。但Richard打算再邁進(jìn)一大步，他要首度拍下這個(gè)宇宙巨人的影像。他拍下后，我們就發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)對(duì)我們的重要性超乎我們的想象。
Richard花了幾年時(shí)間設(shè)法證明暗物質(zhì)的確存在，這種無(wú)形的物質(zhì)就像形成一塊布裹住宇宙所有的星系。他非常仔細(xì)地探索一小塊宇宙，以繪制第一張暗物質(zhì)的地圖?！斑@張實(shí)際的天空照片是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍下的，上面有無(wú)數(shù)的星系。我們可以非常精準(zhǔn)地測(cè)量這些星系的形狀。以及星系形狀的扭曲程度。我們觀察星系光線，通過(guò)暗物質(zhì)時(shí)的扭曲程度，就能畫出暗物質(zhì)的地圖。
光線通過(guò)星系受到扭曲，最后抵達(dá)地球，同時(shí)也勾畫出暗物質(zhì)的地圖輪廓。Richard讓這塊無(wú)形的宇宙剖面圖現(xiàn)形，“這是前所未見(jiàn)的三維地圖，顯示出宇宙的真實(shí)面貌，以及宇宙的主要成分。如果有外星人過(guò)來(lái)觀察我們的宇宙，如果它們可以看到我們宇宙的所有成分，他們就會(huì)看到這幅景象?！边@就像是宇宙暗物質(zhì)的湯，最濃稠的地方就是星系形成的位置。
這就是Richard繪制的暗物質(zhì)地圖，左邊的圖片是宇宙星系與氣體的實(shí)際位置，這些是正常物質(zhì)。有巨大星系團(tuán)的地方，就有高濃度的暗物質(zhì)。這邊有一個(gè)巨大星系團(tuán)，這邊就有對(duì)應(yīng)的暗物質(zhì)光圈環(huán)繞在四周。重疊這兩張圖片，能發(fā)現(xiàn)兩者的位置相同。正常物質(zhì)存在于暗物質(zhì)的支架里。
暗物質(zhì)的特性
Richard觀察了龐大宇宙的一部分，而Frank則用計(jì)算機(jī)仿真出整個(gè)宇宙。
Frank：“在這里可以看到暗物質(zhì)形成的復(fù)雜樣式,這個(gè)網(wǎng)絡(luò)充滿細(xì)絲與團(tuán)狀物，我們稱之宇宙網(wǎng)。在團(tuán)狀的暗物質(zhì)里，會(huì)形成像銀河系一樣的星系，氣體會(huì)在里面冷卻凝聚，最后形成恒星。暗物質(zhì)就像宇宙的骨架，有了這種骨架才會(huì)出現(xiàn)星系。”
這背后的含意相當(dāng)驚人，有了暗物質(zhì)才會(huì)形成今天的一切。沒(méi)有暗物質(zhì)就沒(méi)有星系，也不會(huì)有恒星、行星，結(jié)果就不會(huì)有生命。暗物質(zhì)在40年前還是個(gè)奇特的概念，而如今已不只是個(gè)概念了。原來(lái)暗物質(zhì)對(duì)我們的存在十分重要。而我們正在逐漸了解其原理。我們知道暗物質(zhì)和光沒(méi)有交互作用，但是會(huì)受到重力影響。
到了2004年，望遠(yuǎn)鏡拍下了這個(gè)畫面，讓我們了解暗物質(zhì)的新特性。在40億光年之外，就是已知宇宙1/3的距離，兩個(gè)星系團(tuán)發(fā)生碰撞，激發(fā)出驚人的能量。數(shù)以兆計(jì)的恒星以3000里的秒速交錯(cuò)而過(guò)。星系團(tuán)受震波扭曲，變成子彈的形狀。此事件稱為——子彈星系團(tuán)碰撞。這種天文奇觀讓天文學(xué)家相當(dāng)興奮，更令人振奮的是，由此可知暗物質(zhì)比我們想象的還要奇特。子彈星系團(tuán)其實(shí)是兩個(gè)獨(dú)立的星系團(tuán)，兩者都有暗物質(zhì)和正常物質(zhì)。這兩個(gè)星系團(tuán)相撞時(shí)，就像是宇宙里的巨大車禍。正常物質(zhì)的速度減慢，并逐漸散發(fā)出X光，然后速度開始減慢。最后停在碰撞點(diǎn)附近。但暗物質(zhì)在撞擊后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最后會(huì)比正常物質(zhì)距離碰撞點(diǎn)更遠(yuǎn)。
要了解整個(gè)過(guò)程，我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)表述。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，我們用車代表正常物質(zhì)，然后加上另一個(gè)要素——粒子（代表暗物質(zhì)）。當(dāng)粒子在碰撞時(shí)有什么不同反應(yīng)？正常物質(zhì)發(fā)生碰撞會(huì)停下來(lái)，暗物質(zhì)就完全不同，根本不會(huì)有交互作用，它們?cè)谂鲎矔r(shí)會(huì)直接穿過(guò)，繼續(xù)移動(dòng)。然后我們看到，暗物質(zhì)比正常物質(zhì)離碰撞點(diǎn)更遠(yuǎn)。子彈星系團(tuán)就是最好的證據(jù)，顯示了數(shù)十年來(lái)天文學(xué)家觀測(cè)到的無(wú)形物質(zhì)和正常物質(zhì)相比，性質(zhì)相當(dāng)不同。這是全新的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)界所知不多。暗物質(zhì)不受正常物質(zhì)影響，也不受自身影響。兩團(tuán)暗物質(zhì)相撞時(shí)，會(huì)直穿彼此，沒(méi)有產(chǎn)生作用。在半個(gè)宇宙外的天文災(zāi)難，證明了暗物質(zhì)的確存在。而且它們不同于所有我們已知的事物，幾乎像幽靈一樣，看不見(jiàn)，摸不著。
如何找到“暗物質(zhì)”？
我們活在物質(zhì)與光的宇宙里，物質(zhì)讓我們存在，光延續(xù)我們的生命。如今我們知道這只是一小部分分真相。我們的宇宙還充滿一種神秘物質(zhì)——暗物質(zhì)。它看不見(jiàn)，摸不著，卻到處都是。每秒都有無(wú)數(shù)暗物質(zhì)粒子通過(guò)我們的身體，如果科學(xué)家可以抓住這種粒子加以研究。那么，我們能否想出辦法一窺這種難以捉摸的物質(zhì)？有些科學(xué)家認(rèn)為這是有可能辦到的。他們深入探索地球的黑暗內(nèi)部。
過(guò)去100年來(lái)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)所有物質(zhì)都是由20種基本的次原子粒子組成。像是玻色子、電子、夸克和微中子。但物理學(xué)家也懷疑還有其他的罕見(jiàn)粒子。暗物質(zhì)是什么，相關(guān)理論有很多。科學(xué)家正在逐一研究和排除錯(cuò)誤的理論。目前暗物質(zhì)的主流理論是超對(duì)稱粒子。也就是說(shuō)，我們所有已知的正常粒子都有相對(duì)應(yīng)的粒子。這組多出來(lái)的粒子存在暗物質(zhì)里，不會(huì)和正常物質(zhì)起作用。只會(huì)有相當(dāng)微弱的重力。
科學(xué)家把這些暗物質(zhì)叫做大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）。這些粒子和正常物質(zhì)的原子幾乎沒(méi)有交互作用，因此很難截取它們并加以研究。此外，因?yàn)槿粘３錆M了正常物質(zhì)的粒子，科學(xué)家很容易就會(huì)誤取正常粒子，而錯(cuò)過(guò)了WIMP粒子。Dan Bauer找到了取得它理想的地點(diǎn)。在明尼蘇達(dá)州廢棄鐵礦廠的地底半里處。這或許并不是物理研究機(jī)構(gòu)的首選地方，但選這里的理由是因?yàn)樗氡荛_來(lái)自太空的宇宙射線粒子。地下半里的巖床足以抵擋背景噪聲，要找到WIMP粒子輕而易舉。但其實(shí)并非如此，WIMP粒子偵測(cè)器外面有厚達(dá)數(shù)尺的金屬與重塑料護(hù)罩。山洞的巖石和周圍的物質(zhì)就連我們身體都帶有微弱的放射線。要是這些粒子進(jìn)入偵測(cè)器，會(huì)產(chǎn)生很大的背景噪聲，導(dǎo)致無(wú)法找到WIMP粒子。而護(hù)罩可以防止這些粒子進(jìn)入偵測(cè)器。
護(hù)罩里有18個(gè)曲棍球餅大小的固態(tài)鍺晶體，用來(lái)偵測(cè)微弱振動(dòng)，WIMP粒子撞到晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這些振動(dòng)。為了有成功的機(jī)會(huì)，晶體必須相當(dāng)純凈，溫度要求非常低。
Dan：“這是固態(tài)鍺晶體的模型，這些網(wǎng)球就代表晶體的鍺原子。在室溫下，相對(duì)地這些原子會(huì)向彼此移動(dòng)。這是我們所知道的熱能。要是把WIMP粒子丟到晶體里，根本就看不出差異。因?yàn)榫w的振動(dòng)很激烈，要是我們把溫度降到絕對(duì)零度左右，此時(shí)原子就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。然后我把WIMP粒子丟進(jìn)晶體，就會(huì)看到晶體振動(dòng)，這就是我們?cè)趯ふ业男盘?hào)?！?/span>
這種粒子和普通物質(zhì)幾乎沒(méi)有交互作用，每秒都有無(wú)數(shù)個(gè)WIMP粒子通過(guò)我們身體，因?yàn)樗慕换プ饔萌?，所以只?huì)通過(guò)我們繼續(xù)前進(jìn)。它們會(huì)通過(guò)整個(gè)地球，繼續(xù)前進(jìn)。我們預(yù)期每年只能偵測(cè)到一、兩個(gè)這樣的粒子起作用。因此，幾率很小。為了避免誤測(cè)，他們會(huì)不作分辨地搜集資料，用的是計(jì)算機(jī)硬盤里的密封盒。在一整年里，工作人員都不能搜查里面的WIMP粒子信號(hào)。經(jīng)過(guò)7年，耗費(fèi)上千萬(wàn)美金，在2009年底打開盒子，里面是一整年的數(shù)據(jù)中，終于發(fā)現(xiàn)了WIMP粒子的蹤跡。這或許是第一次，我們確實(shí)找到了這種難以捉摸的暗物質(zhì)。這或許讓我們能更進(jìn)一步了解暗物質(zhì)。但Dan并不完全肯定他找到的就是WIMP粒子。因此，他們得繼續(xù)找更多的粒子。他還需證明找到的粒子是WIMP粒子。
找到WIMP粒子對(duì)我們有什么意義？
要是我們找到這些粒子，就會(huì)出現(xiàn)全新的物理領(lǐng)域。如果宇宙里真有超對(duì)稱粒子，這種粒子有自己的交互作用和特性，同時(shí)也是宇宙的主要成分，那這就是全宇宙的現(xiàn)象。我們的物理現(xiàn)象反而是旁枝末節(jié)。
暗物質(zhì)與宇宙
但正當(dāng)科學(xué)家覺(jué)得他們?cè)絹?lái)越了解暗物質(zhì)的時(shí)候，他們有發(fā)現(xiàn)很奇怪的現(xiàn)象。或許暗物質(zhì)能夠讓星系形成，但實(shí)情不只如此。在21世紀(jì)初，太空探測(cè)器發(fā)現(xiàn)黑暗中還有別的東西。暗物質(zhì)將一切結(jié)合起來(lái)，但是有一股力量或許會(huì)摧毀整個(gè)宇宙。
如今我們知道可見(jiàn)的宇宙就像浪花，漂在暗物質(zhì)的大海上。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)自己漂浮在這片陌生的海上，過(guò)去20年來(lái)，Saul都在研究這片海域，設(shè)法確定暗物質(zhì)對(duì)我們最終的命運(yùn)有何含意。宇宙會(huì)永遠(yuǎn)存在嗎？還是會(huì)在某天突然停止，整個(gè)崩塌？Saul在讀物理時(shí)就非常想了解這些問(wèn)題。他決定追隨前人腳步，20世紀(jì)最杰出的天文學(xué)家Edwin Hibble。
Edwin Hibble
在1920年代，Hibble開始詳細(xì)觀察夜空里的數(shù)十個(gè)星系，但他覺(jué)得有件事很奇怪。幾乎全部星系都是紅色的，物體遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，音調(diào)會(huì)變低，光線則會(huì)變紅。Hibble推論宇宙里所有的星系正在快速離我們遠(yuǎn)去。結(jié)論只有一個(gè)，宇宙一定是在不斷擴(kuò)張。但他不知道擴(kuò)張速度是多少，原因又是什么，因?yàn)榻咏覀兊陌档窍悼雌饋?lái)就像遠(yuǎn)離我們的明亮星系。因此他無(wú)法判斷距離。
困難的地方是你必須知道這些星系實(shí)際上有多亮，才能判斷有多遠(yuǎn)。如果你在海上坐船，你在濃霧里看到遠(yuǎn)方有燈塔，有可能是燈塔的光線很亮，但是離你很遠(yuǎn)。也有可能是燈塔的光線很暗，其實(shí)就在眼前。這個(gè)根本的問(wèn)題在前幾個(gè)世紀(jì)一直困擾著天文學(xué)家。但是這個(gè)問(wèn)題有辦法解決，自從1980年代天體物理學(xué)家就知道有種特殊的恒星爆炸，叫做1A超新星。比太陽(yáng)稍大的恒星快要用盡燃料的時(shí)候，會(huì)變得更小，更暗，更緊密。這個(gè)階段稱為白矮星。白矮星已經(jīng)在垂死邊緣。但是它仍然有可能復(fù)活，只要找到新的燃料就行。如果白矮星屬于一個(gè)雙星系統(tǒng)，鄰近的恒星就能提供燃料。一旦白矮星的重力從鄰近恒星獲取足夠質(zhì)量，就再也不能回頭，只會(huì)爆炸。此時(shí)它的溫度超過(guò)10億度，它多數(shù)的氣體會(huì)擴(kuò)散到太空中。
1A超新星完全符合我們的目的，因?yàn)檫@類恒星的質(zhì)量相同，爆炸達(dá)到巔峰時(shí)會(huì)產(chǎn)生相同的亮度。光亮?xí)掷m(xù)幾周，在幾個(gè)月后逐漸黯淡，如果我們能觀察到這種現(xiàn)象，盡管爆炸在數(shù)10億年前已經(jīng)發(fā)生了，我們還是能夠得到標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)判斷星系的距離。
相同質(zhì)量所產(chǎn)生的明亮爆炸總會(huì)發(fā)出等量的光線，用看到的光線判斷超新星離我們有多遠(yuǎn)，在理論上應(yīng)該可行。但是實(shí)際上有問(wèn)題，這個(gè)想法聽來(lái)很棒，但是非常難執(zhí)行。1000年里只有幾個(gè)超新星，每個(gè)星系都是如此，人們無(wú)法知道哪一個(gè)會(huì)爆炸。
因此很難安排到世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，那是要在幾個(gè)月前預(yù)約的。Saul與他的工作團(tuán)隊(duì)靈機(jī)一動(dòng)，每隔幾周就拍攝相同的夜空廣角照片。再用自動(dòng)化程序在里頭尋找超新星的閃光。如果研發(fā)的計(jì)算機(jī)程序夠精密，就能在他們搜集的照片里比較數(shù)量龐大的星系，看里面是否有三周前從未出現(xiàn)的閃光。如果有的話，就可能是超新星。
在短短5年內(nèi)，Saul團(tuán)隊(duì)在38個(gè)星系里發(fā)現(xiàn)38個(gè)恒星變成超新星。他們能發(fā)現(xiàn)超新星爆炸，因而成為傳奇。最后，我們得到足夠數(shù)據(jù)評(píng)估宇宙的現(xiàn)況。提出了天文學(xué)上自Hibble以來(lái)最驚人的發(fā)現(xiàn),Saul：“我們一直以為宇宙在擴(kuò)張，而宇宙間的物質(zhì)會(huì)因重力而互相吸引，因此重力會(huì)減緩擴(kuò)張速度，我們一直想知道這種現(xiàn)象會(huì)持續(xù)多久。會(huì)不會(huì)有一天就突然停止了？但我們發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題都不存在，擴(kuò)張速度根本沒(méi)變慢，顯然宇宙擴(kuò)張的速度反而越來(lái)越快。Saul的團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)星系間有股無(wú)法解釋的互斥力，因此宇宙會(huì)逐漸擴(kuò)張，他們稱之為暗能量。顯然宇宙并不像我們想的一樣以重力互相吸引，而是受到某種我們從未研究過(guò)的東西控制——暗能量。暗指的是我們對(duì)它一無(wú)所知，而不是東西的顏色。這股能量會(huì)加快宇宙擴(kuò)張的速度。
暗能量與宇宙
2001年夏天，三角洲二號(hào)運(yùn)載火箭攜帶一個(gè)小型探測(cè)器進(jìn)入太空，探測(cè)器名為威爾金森微波各向異性探測(cè)器，是為了觀察最遙遠(yuǎn)及最遠(yuǎn)古的宇宙，并研究大爆炸留下來(lái)的微弱回聲。
David Spergel是威爾金森微波各向異性探測(cè)器科學(xué)家。我們通過(guò)探測(cè)器看到的是宇宙快照，非常接近大爆炸時(shí)期，當(dāng)時(shí)宇宙非常簡(jiǎn)單，就像為宇宙拍嬰兒照一樣。探測(cè)器花了6個(gè)月逐漸拼湊出宇宙嬰兒時(shí)的樣貌，并偵測(cè)大爆炸的余燼，所產(chǎn)生的微小波動(dòng)與溫度。
宇宙初期就如同平靜的湖面，非常均勻而平滑。在初期的宇宙里，到處都有微小的密度變化，這些變化會(huì)產(chǎn)生聲波，就像湖里的漣漪一樣。漣漪的變化取決于湖的深度和水的特性，如果湖水是水銀，漣漪就會(huì)有截然不同的變化，我們藉由漣漪移動(dòng)的速率以及散開的模式，就能知道湖的特性。研究初期宇宙亦是如此。
要研究這些漣漪與大爆炸的回聲，需要分析非常大量的數(shù)據(jù)，設(shè)法計(jì)算解決復(fù)雜的方程式，最后通過(guò)1.5年時(shí)間他們以驚人的精確度說(shuō)明宇宙的成分。目前，4.6%的宇宙由原子組成，暗物質(zhì)則占23%左右，特別奇怪的是72%的宇宙是由暗能量組成。暗能量幾乎占了宇宙的3/4！
100年前，我們還以為我們的銀河就是整個(gè)宇宙，后來(lái)發(fā)現(xiàn)宇宙有無(wú)數(shù)的星系，就像銀河一樣但是跟我們分開。如今我們知道宇宙正在擴(kuò)張，逐漸遠(yuǎn)離我們。不僅如此，擴(kuò)張的速度還越來(lái)越快。我們?cè)臼煜さ挠钪婢拖窦乙粯?，如今變成廣大無(wú)垠的虛空。
觀察黑暗徹底改變了我們對(duì)宇宙與自身的看法。構(gòu)成我們的物質(zhì)——原子只占宇宙的4.6%，將近1/4的宇宙是暗物質(zhì)，它讓星系得以形成，而3/4的宇宙是暗能量，這種無(wú)法解釋的能量會(huì)摧毀一切。我們的宇宙最后會(huì)不會(huì)因此滅亡？
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