我坐在華盛頓大學的講臺上跟臺下的人講暗物質(zhì)，同時也在想，他們是否真的相信這些，甚至是否懷疑我是否真的相信這些。
在科學領(lǐng)域，奧卡姆剃刀原理的解釋是：當兩個處于競爭地位的理論能得出同樣的結(jié)論時，那么簡單的那個更好。這一表述也有一種更為常見的形式：如果有兩個原理，它們都能解釋觀測到的事實，那么你應該使用簡單的那個，直到發(fā)現(xiàn)更多的證據(jù)。對于現(xiàn)象，最簡單的解釋往往比較復雜的解釋更正確。如果你有兩個類似的解決方案，選擇簡單的那個，需要最少假設(shè)的解釋最有可能是正確的。
而在宇宙學領(lǐng)域，奧卡姆剃刀可能幫助我們解決不少謎題，比如有關(guān)暗物質(zhì)的假設(shè)。只要假設(shè)有暗物質(zhì)存在，就可以解釋很多事實。當發(fā)現(xiàn)標準的暗物質(zhì)理論解釋不了的現(xiàn)象時，我們可以再假設(shè)另一個神秘的存在，比如，在標準的暗物質(zhì)理論中引入“微弱的自我相互作用力”。標準暗物質(zhì)理論認為，暗粒子碰撞是一種弱散射模式。
我們已經(jīng)逐漸習慣這樣的認識：自然界的真實性是一個不確定的量子領(lǐng)域，我們所看到的并不一定是它的真實面目。暗物質(zhì)是對這個概念的深度擴展，它讓我們意識到，宇宙中的大部分物質(zhì)藏在我們的認知之外。這使物理學家和公眾憂心忡忡。物理學家擔心無法提出一個可以被明確證實的預測，也不能做出對物質(zhì)本身的積極的探測。這種情形與一個多世紀前對以太的爭議有著相似之處。
2 0世紀3 0年代， 瑞士天文學家弗里茨· 茲威基觀測到星系團受引力束縛，圍繞彼此快速旋轉(zhuǎn)，似乎只有“存在一個非常大的、看不見的物團的引力”才能解釋它們?yōu)槭裁礇]有簡單地分開旋轉(zhuǎn)。茲威基非常隨意地假定有某種暗物質(zhì)存在——他只是覺得存在著他無法看到的事物。天文學家不斷在宇宙中發(fā)現(xiàn)存才看不見的物質(zhì)的證據(jù)，例如星系的恒星旋轉(zhuǎn)速度太快。暗物質(zhì)似乎是宇宙中最常見的物質(zhì)形態(tài)。
暗物質(zhì)不與恒星、行星或其他我們已知的普通物質(zhì)發(fā)生強烈的相互作用，科學家只是通過其引力作用推斷出它的存在。傷腦筋的是，引力是基本力中最弱的，卻是唯一重要的遠程力，這解釋了為什么暗物質(zhì)大規(guī)模地主導著宇宙的結(jié)構(gòu)。
在過去的半個世紀里，宇宙大爆炸理論很好地描述了我們觀測到的宇宙。這種宇宙論得到了許多觀測數(shù)據(jù)的支持，包括無處不在的宇宙輻射場、星系在天空中的分布情況和星系團的碰撞。這些強有力的觀察資料綜合了來自天文學許多領(lǐng)域的專業(yè)知識和獨立分析，所有數(shù)據(jù)都強烈支持一個包含暗物質(zhì)的宇宙論模式。但沒有一個理論能解釋暗物質(zhì)究竟是什么，這真是物理學中一個尚未解決的巨大問題。
我們正處在一個發(fā)現(xiàn)的時代。大部分已被驗證的理論主宰著我們已經(jīng)觀察到的各種各樣的基本粒子，并支持其他的、迄今尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子存在。幾十年前，理論物理學家意識到可能存在一種弱相互作用重粒子（WIMP）。這種粒子擁有暗物質(zhì)的所有適當?shù)奶匦裕?/span>并且能夠隱藏在我們的眼皮底下。如果暗物質(zhì)確實是WIMP，它會與普通物質(zhì)進行十分微弱的相互作用，以至于我們很難發(fā)現(xiàn)，僅僅能夠通過正在進行的暗物質(zhì)實驗來發(fā)現(xiàn)它。
在美國南達科他州進行的大型地下氙實驗探測器（LUX）是世界上最大的暗物質(zhì)探測器，能夠探測到最微量的亞原子粒子。然而，尋找暗物質(zhì)是一個等待的游戲。到目前為止，探測器只捕獲了宇宙噪聲。不過事情就是這樣，就像英國物理學家約翰·達巴羅所說，宇宙沒有任何理由為我們的方便而設(shè)計。
關(guān)于暗物質(zhì)，可能性似乎如下：①暗物質(zhì)存在；②暗物質(zhì)不存在；③如果暗物質(zhì)存在，那么我們可以檢測它或者我們不能檢測它；④如果它不存在，那么我們可以證明它不存在或者我們不能證明它不存在。
引導天文學家斷定暗物質(zhì)存在的觀測數(shù)據(jù)似乎非常有力，難以被推翻。所以，認為暗物質(zhì)不存在的人認為，問題出在我們對引力的理解上，是我們的理解存在某些錯誤——它并不像愛因斯坦預言的那樣。如果真是這樣，那會使如今的物理學發(fā)生翻天覆地的改變，所以沒有多少人認同這種說法。不過，如果暗物質(zhì)存在，我們卻無法檢測到它，那我們將處在一個非常尷尬的位置。
大型地下氙實驗探測器（L U X）
我們正經(jīng)歷一個宇宙學的黃金時代。在過去的2 0年里，我們測量了大爆炸的殘余輻射，了解到宇宙的膨脹速度正在加快，瞥見了黑洞并且發(fā)現(xiàn)了宇宙有史以來最輝煌的爆炸。在接下來的幾十年里，我們可能會觀察到宇宙中的第一代恒星，繪出幾乎完整的物質(zhì)分布圖，通過引力波“聽到”黑洞的劇烈合并。暗物質(zhì)則提供了一個獨特的誘人前景，融合了新觀測結(jié)果、理論、技術(shù)和資金（我們希望）。在我們想要放棄的時候，總有一絲可能性引誘著我們：我們也許只是需要一個更好的實驗。
尋找暗物質(zhì)的方法主要有三類：人工制造（在粒子加速器中）、間接檢測和直接檢測。最令人興奮的是最后一類，研究者試圖在野外捕捉WIMP。LUX是新一代超敏感實驗的頂尖設(shè)備，主要探測WIMP 與普通原子核的相互作用。這些檢測目標通常非常單一，例如，將原始的元素鍺或氙冷卻到極低溫度并且屏蔽來自外部的粒子，因為離散的粒子會以任何可能的方式潛入，所以就可以通過密切監(jiān)測、精確統(tǒng)計闖入粒子的相互作用來確認真正的暗物質(zhì)相互作用事件。這種相互作用非常弱，檢測起來困難重重。
暗物質(zhì)可能和普通物質(zhì)一樣復雜。目前尋找暗物質(zhì)的方法可能忽略了這種復雜性，比如暗物質(zhì)生命，甚至暗物質(zhì)化學。通過前面的方法，我們可能發(fā)現(xiàn)一種粒子，但只能解釋一小部分預期的暗物質(zhì)。
從某種意義上說，這已經(jīng)發(fā)生了。中微子難以捉摸，但普遍存在（每秒有6 0 0億中微子通過你小指大小的區(qū)域）。它們幾乎不與普通物質(zhì)相互作用，完全沒有質(zhì)量。中微子構(gòu)成了大規(guī)模宇宙的一小部分，表現(xiàn)得像一種奇怪的暗物質(zhì)。當然，中微子不是暗物質(zhì)，但間接證明了可能存在不同類型的暗物質(zhì)。
我們正處于一個對未知充滿強烈興趣的時代。物理學家說，如果我們確定暗物質(zhì)并不是WIMP，我們就已取得了一些成績。這不是一個發(fā)現(xiàn)嗎？一些人正在探索暗物質(zhì)的相互作用，但這種相互作用我們可能永遠不會知情。因為暗物質(zhì)的相互作用極其微小，不會影響標準宇宙學理論。它甚至會有自己奇異的宇宙，一個黑暗的領(lǐng)域。這種可能性使物理學家既害怕又欣喜若狂：可能存在一個錯綜復雜的暗物質(zhì)領(lǐng)域，能逃避我們的仔細觀察，就像一個平行宇宙。
L U X 工作過程示意圖
修正暗物質(zhì)的基本思想是比較容易的，這正是所有暗物質(zhì)理論學者從事的工作。我一直認為，暗物質(zhì)可能進行了自我相互作用，并利用超級計算機模擬星系來驗證。在宏觀上，宇宙學已做出了明確的預測，這一修正沒起作用。但在微觀上，暗物質(zhì)理論有了動搖的跡象，它有助于解決幾個問題。模擬實驗看上去很巧妙，能做出可被接受的預測。然而自由參數(shù)太多了——科學家稱之為微調(diào)——這樣的結(jié)果似乎完全符合觀測數(shù)據(jù)。我們可能永遠也不確定暗物質(zhì)是否存在自我相互作用。這就是我持保留意見的原因，你最好也這樣做。
我們也許可以推測出這種相互作用的強度上限。所以，每當有人問我是否認為暗物質(zhì)的自相互作用是正確的，我說不是，我只是闡述一種可能性，不對這種可能性下斷言。
也許有一天，LUX 或者它的一個競爭對手可能發(fā)現(xiàn)它們尋找的東西，或者，我可能在一些不起眼的超級計算機中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)某個隱藏的真相。無論如何，這樣的發(fā)現(xiàn)離我們太遠，因為這似乎要經(jīng)過好幾層超級計算機的模擬。暗物質(zhì)宇宙是我們宇宙的一部分，但我們永遠不會認為它像我們的宇宙。
自然對所有人玩了一個認識論的把戲。我們觀察到的每一種事物都有一種存在，但我們不能觀察到的事物可能有無限種存在。一個好的理論應該是足夠復雜的。暗物質(zhì)是對一個復雜理論最簡單的解決方式，而不是對一個簡單理論最復雜的解決方式。這不能保證它會成功。天體物理學家能否在概念意義上發(fā)現(xiàn)它，永遠也不會掌握在我們手中，它游離在掌控之外。無論如何，生活在一個大部分都未知的宇宙，就好像生活在一個可能性無窮的王國。
