暗物质
有些人喜欢讨论“神秘的东西”,例如鬼、妖怪、神灵等,从上古的《山海经》到最新的好莱坞大片,各种奇怪的神仙妖怪应有尽有。然而科学家们不会去讨论那些东西,因为科学家对人们幻想出来的事物不感兴趣(只有心理学家会研究人们为什么会去幻想),他们关注的,是真实世界里的真实现象。
那么真实的世界里,也会有神秘物质吗?
还真有!
假设教室里空荡荡的,只有你一个人。这时有个同学到门口,说:“这里人好多啊!”然后转身走了。这时你会怎么想?胆小的人会害怕,胆大的人会觉得那个同学是在故意吓唬他。如果你真的感到周围有人在挤你,那胆子再大的人也笑不出来了。
这种事在真实的教室里是不会发生的,除非是恶作剧,但是科学家在宇宙里真的观察到了类似的神秘现象。
80多年来,科学家们发现了一些奇怪的天文现象,很多天体的表现,就像被什么东西牵引着一样,然而无论怎么努力观测,我们也看不到任何东西。这说明有一些神秘的东西,我们看不到摸不着,但真的存在,它们给这个宇宙施加了巨大的引力。我们能清晰地感知到它们的存在,但并不知道那是什么。
科学家给这种神秘的物质起了一个名字:“暗物质”,英文叫作Dark Matter。由于这东西是真实世界里的神秘物质,所以很多魔幻主题的游戏都喜欢用这个名字去命名神秘的宝物呢。
暗物质虽然神秘,但是绝不邪恶,恰恰相反,科学家认为,正由于有暗物质帮忙,我们这个世界才能出现。也就是说,它是神秘的“正义力量”。
然而,暗物质看不见摸不着,我们是怎么知道它存在的呢?
这一切的开始,是在1933年。瑞士的天文学家,“超新星”的命名者兹威基(Fritz Zwicky 1898--1974)对离地球3.2亿光年的后发座星系团进行观测研究。这个星系团非常大,它里面有3000个星系,直径超过2000万光年。兹威基很想知道这个星系的质量有多大,于是找了个方法来计算,为了确保结论正确,他又用另外一个方法来验算,最终发现,两个计算结果相差上百倍。
这两种计算方法,用的是不同的原理。第一个方法,是计算星系的运动速度。星系绕着圈运行,有很大的离心力,速度越快,离心力越大,这就跟转圈扔铅球一样,运动员转得够快,一松手,铅球就飞出去好远。
星系转得那么快,星星为啥飞不出去呢?原因是有引力。物体的质量越大,引力就越大,只要星系中央的质量足够大,周围的星星转得再快也飞不走。同理,我们知道星系没有散架,那么只要知道它的运动速度,就可以推导出这个星系有多大的质量,这个质量叫力学质量。
第二个计算方法,是利用光学。像太阳一样会发光的星星,叫作恒星,恒星发光的原理,叫作核聚变。恒星的质量不同,会导致核聚变的效率不同,于是发出光的颜色和亮度也不同。简单来说,红色的恒星质量小,蓝色的恒星质量大。通过对恒星亮度和颜色的测量,可以推导出其质量,然后进一步推导出整个星系的质量。这样测出的质量,叫作光度质量。
后发座星系团的力学质量,比光度质量大太多了,那么哪个是正确的呢?兹威基认为,力学质量是正确的,而光度质量实在太小了,不足以拉住那么多高速旋转的星星,如果光度质量正确的话,星系早就散架了。
兹威基最后的结论是:后发座星系团里有大量“看不见的物质”,而正是这种看不见的物质保证了星系团的引力,从而让星星们高速运转,但是不会飞出去。
现在我们知道,这种“看不见的物质”,就是暗物质。
兹威基虽然发现了后发座星系团里有看不见的东西存在,但这没有引起科学界太多的关注。毕竟,我们看不见的东西可多了,而且这只是对一个遥远星系的研究,也许是因为观测不准也未可知呢。
真正让整个科学界对暗物质不得不重视的,是一个意志坚定的美国女科学家:鲁宾(Vera Rubin,1928- )。二十世纪七十年代,鲁宾在离地球大约250万光年的仙女座星系进行观测时,发现了奇怪的现象。
仙女座星系和我们所在的银河系一样,都是圆盘状的星系,数以亿计的恒星和大量的星际介质(一般以气体形式存在)在里面飞速旋转。鲁宾研究的,是那些星际介质的旋转速度。离我们那么远的气体,怎么知道其速度呢?方法是看发出的光。可见光是电磁波的一种,波有一种“多普勒效应”。大家在街上都听过救护车的报警声吧,那个声音就是声波,当车朝你开来的时候,报警声会越来越急促,而车离你远去的时候,报警声会越来越悠长。实际上报警声的频率是稳定的,但是波源在走近和远离的时候,你感受到的波会出现频率变化,所以你听到的报警声就有变化,这个变化就是多普勒效应。光的多普勒效应,就是离你渐近的时候光会发蓝,渐远的时候光会发红。通过这个效应,我们只要精确测量光的波长,就可以算出遥远星系里的速度。
鲁宾是个很认真的人,她运算星际介质的运行速度,并没有只算一个地方的速度,而是认真计算了仙女座里里外外很多地方,结果发现了重大问题。
按照常理,星系里不同位置的星体,运转速度是不一样的,因为它们受到的引力不一样。引力的特点,是离得越远,引力越小,具体而言是距离远一倍,引力变成四分之一。以太阳系为例,行星离太阳越近,受到的引力就越大,所以行星必须飞速旋转,有足够的离心力对抗引力,才能不掉到太阳里去。而远处的行星,旋转速度反而不能太快,不然离心力超过引力,就会飞出太阳系。
太阳系是小星系,仙女座星系比太阳系要大得多,它里面有数以亿计的太阳系一样的小星系。然而和太阳系一样的是,仙女座星系也是在核心位置聚集了最多的可见质量。那么按照物理规律,这个星系里的气体,根据距离星系中心的远近不同,速度是不一样的。但是鲁宾仔细计算了仙女座星系的各个部分的气体旋转速度,发现居然都一样。
对于这个反常的现象,鲁宾认为,星系外侧的气体高速旋转但还没有飞出去,只能证明一件事,那就是整个仙女座星系里弥漫着非同寻常的东西,它们完全不可见,但是提供了大量引力,让星系里各个部分都以相同的速度旋转,但不会飞散架。
鲁宾的发现,引发了世界科学界的关注,但是在一开始,这种关注主要是来自各方的攻击和批判。在四十多年前,社会没有今天这样开放进步,传统的偏见让美国人不相信女性也可以有杰出的智慧贡献,鲁宾是女性,所以她的发现并不被学界认可。
在当时,一个女科学家的新发现如果被行业权威所否定,她通常会放弃自己的观点。然而鲁宾没有屈服于他人的意见,她选择了向事实去求助。为了验证自己的观点,鲁宾精算了超过100个星系,发现星体的旋转速度全都比预计的快。
鲁宾的坚持终于有了回报,她的证据是如此的坚实,让科学界最终确认了暗物质的存在。这也是第一个不靠光和量子,纯靠引力发现的物质。
从二十世纪八十年代初开始,各国的科学家都开始积极寻找暗物质的本来面目,然而到2017年为止,我们还没能真正揭开暗物质的面纱,其原因就在于,暗物质的性质太奇特了。
兹威基和鲁宾都说暗物质是看不见的。但他们说的“看不见”,和我们一般意义上的看不见是不一样的。
人类肉眼能看到东西,只有光而已,你能看到太阳,是因为太阳自身发光,你能看到桌上的苹果,是因为苹果反射光。如果房间里漆黑一片没有光,那就算有再多的苹果,我们也看不到,这说明我们平时看到的苹果并非苹果本身,而是苹果反射的可见光。
人类是在太阳系里进化出来的,肉眼可见的光,其实是太阳最常发出的电磁波,其频率是380~780纳米,看到眼睛里就是七色光:赤橙黄绿青蓝紫。除了可见光之外,在红色光和紫色光之外,还有频率更高或者频率更低的电磁波,如红外线和紫外线等,叫作不可见光。所谓不可见光,指的是肉眼不可见,我们没有进化出那么丰富的感官,但是借助仪器,我们都能看得见。最典型的是黑洞,可见光走过去就被吸进去,只能看到一团黑,但是黑洞会发出X射线,这种X射线我们肉眼看不到,借助仪器能看到,所以尽管黑洞是黑的,但还是发光的,只不过肉眼看不到而已,这说明黑洞不是暗物质。
暗物质的“看不到”,是说用任何手段都看不到,它不发出任何电磁波,可见光和不可见光都不发出,也不会反射任何电磁波,可以说是彻底的“黑暗”。
要想知道暗物质是什么,我们先要知道暗物质不是什么。要排除一切不可能,才能接近真相。
当科学家发现暗物质的时候,首先不会想这是个神秘物质,而是先去假设暗物质是看得到的一般物质,可能只是因为太远了,我们的望远镜看不到。
天文学家证实,宇宙里有一些物质是望远镜看不到的,叫作“暗天体”。英文缩写为MACHO,意思是“光环中的大质量致密天体”。
暗天体有很多种,例如白矮星、褐矮星、行星等等。它们大部分不发光,或者会发非常微弱的光,由于距离遥远,所以极难观测。我们知道,一块石头是可见的,但是在一个没有星光和灯光的黑夜里,要看见几千米外的一块黑乎乎的石头,那可以说是难如登天。天文学家要看的都是亿万光年之外的黑石头,看不到是很正常的。
暗天体很多,但是不是暗物质呢?关键在于它们能否提供足够的引力。按照爱因斯坦的相对论,引力是质量导致的空间扭曲,空间一扭曲,光线也会被扭曲。换言之,大质量的暗天体虽然无法被直接观测,但是它们可以扭曲空间,从而扭曲光线,所以就有了观察方式:如果亮星的光线被扭曲,就说明附近有巨大的暗天体,具体的表现是亮星的光先变亮,然后变暗。这种观察法叫作“引力透镜观察法”。
科学家从二十世纪八十年代开始观察暗天体。一开始他们信心满满,但是对众多星系连续观察了七年,总共只发现了13个暗天体,数量少得可怜。暗天体实在太少,哪怕是最夸张的估计,其质量也到不了星系质量的十分之一,不足以提供如此强大的引力。
所以,暗物质并不是看不到的暗天体,它并不是星球一样的东西,而是弥散在整个星系间的一种物质,换言之,是我们身边就有,只是我们察觉不到而已。
长期以来,科学家一直想知道,暗物质是否是某种已知物质。
我们知道,一般物质是由原子构成的。原子非常非常小,50万个原子排在一起,还没有一根头发粗。
在原子里面,有质子、中子和电子,而质子又是由各种夸克和胶子组成的。总之,我们已知的物质,都是可以分解到基本粒子的,基本粒子就像积木,通过各种组合,搭建出我们可见的世界。
物理学家通过数学计算和观测,建立了一套基本粒子模型。里面有各种各样各样的粒子,按理说,总该有一款适合暗物质。
科学家首先希望知道,暗物质和原子究竟是不是一家人,也就是说暗物质是否也是由质子、中子或者电子构成的。
由于暗物质无法观测,所以科学家们想了一个绕路的法子,就是研究宇宙早期质子和中子的总量,如果总量足够大,说明暗物质也是原子的一家人。要是总量不够大,则说明暗物质不是由质子和中子构成的,和我们一般意义上的事物完全不同。
宇宙早期的质子和中子的数量,是天文数字中的天文数字,要算出具体数值是不可能的,但是比例可以算。具体的方式,是看看在宇宙早期,元素氦和氘的数量比例是怎么样的。如果氦多,则说明质子和中子多,如果氘多,则说明质子和中子不够多。
宇宙早期我们怎么看到呢?答案是看遥远的星体。宇宙有137亿年历史,所以光只走了137亿年,于是我们在地球上也只能看到137亿光年之内的星体。我们只要看足够遥远的星体,那里的光就是来自于宇宙初期的,于是,我们也就看到宇宙初期的样子了。
1996年,美国科学家泰特勒领导了一支团队,对遥远的远古星体做了详细的观测和研究,结果发现氘元素的比例很高,质子和中子的量远远到不了暗物质的要求,所以暗物质根本不是我们所熟悉的任何物质。实际上,原子构成的物质还不足暗物质的五分之一。
我们对“暗物质不是什么”知道得越多,也让我们离“暗物质是什么”的答案越来越近。
我们知道,暗物质和原子无关,不发光也不反光,不带电荷,几乎和一切物质都不发生作用,遇到东西直接穿过去。科学家根据这个条件,翻遍了标准粒子模型,排除了各种不可能,最后发现有三种名叫“中微子”的粒子是暗物质的理想候选者。
中微子是一种遍布宇宙的粒子,数量巨大,每立方厘米有300个,不和其他物质发生关系。由于其数量太大,只要有一丁点儿质量,就足以满足暗物质的条件了。
抱着极大的希望,科学家们做了大量观测来研究中微子的质量。1998年,科学家观测了中微子振荡现象,获得了中微子的质量,大概是电子的一千万分之一,几乎约等于零。所以哪怕中微子在宇宙里数量惊人,总质量也要在暗物质的十五分之一以下,也就是说,中微子不是暗物质。
中微子的失败,意味着暗物质不是任何一种已知的粒子,科学家辛苦打造的标准粒子模型并非包罗万象,我们已知的一切,只是宇宙里很小的一部分。
失败是成功之母,寻找暗物质的道路虽然艰辛,但是如果能拓宽整个人类的视野,再艰辛也是值得的。现在,科学家总结了四个暗物质的条件,只要全部满足,就是暗物质了。
第一:不发光也不反光
第二:几乎不和任何物质发生碰撞
第三:质量巨大,总质量是其他可观测物质的五倍。
第四:初始速度几乎为零。
暗物质的第四个条件,是宇宙里一切星辰和物体得以出现的原因。在宇宙诞生的早期,由于暗物质运动缓慢,一片片的堆积在一起,万有引力效应导致一般物质也跟随暗物质聚集起来,这样才有了我们所知道的星系和星辰。如果暗物质初始速度很高,在宇宙一诞生就四散飞行,没有聚集,那我们的银河系在一开始就根本不会存在,于是我们也无法存在。所以,寻找暗物质也让我们可以更深刻地了解生命的起源。
科学家发现,暗物质并非我们认识的任何事物,但这不意味着无法继续寻找暗物质了,恰恰相反,人类寻找暗物质的步伐更加坚定了。
已知的科学和方法不适用于暗物质,那么要找到暗物质,就必须拓宽已知的科学范畴,然后用新的方法去寻找。
科学家认为,暗物质很可能要比氢原子重得多,重几千倍也不奇怪,因为如果暗物质太轻了,就难以让一般物质轻易结合。
一名叫雷蒙德的数学物理学家,从数学角度,提出了暗物质的另一种可能。他认为,标准粒子模型里之所以没有暗物质,是因为在数学上有缺陷,公式里面有无穷无法消除,所以必须修改。修改的结果,叫做“超对称模型”,就是说标准粒子可能有一套镜像般对称的存在。
超对称模型里的粒子,叫作“超对称粒子”,其中的“中性微子”(包括光微子、Z微子、希格斯微子)不发光,基本不和其他物质发生反应,质量大,速度低,恰好符合暗物质的四个基本要求,堪称毫无瑕疵。按照数学上的预测,这些中性微子的质量是氢原子的上千倍,我们周围每立方米至少有上千个。中性微子的初始速度很低,在宇宙诞生137亿年后的今天,速度大概是270km/h(这个速度离光速差得很远,在宇宙的尺度上说还是低速)。
数学上的存在,不等于现实世界里也存在,但存在的可能性很大,所以科学家对其寄予了厚望。
科学家挖了一个离地面上千米的深坑,来做暗物质实验。为什么要这么深呢?因为厚厚的山体可以过滤很多其他射线,让实验专注于暗物质。
实验的器材,叫“大规模暗物质氙探测器”,简称XMASS。氙和仙同音,是一种惰性气体,质量和暗物质差不多。在大多数时候,暗物质不会影响氙,但是在极其偶尔的情况下,暗物质也许撞到氙,那时就会像撞台球一样,撞出光来。
XMASS设备的中心,是个直径一米的球体,里面是零下一百度的液态线,还有642个光探测器,用于捕捉暗物质和氙撞出的反光。虽然暗物质和氙相撞的几率低得可怜,但是只要预测正确,一秒钟会有2000个暗物质进入XMASS,假以时日,还是可以发现的。
声明:在《探索科学》11月刊的《从地球到火星》一文中,采用了美国国家航空航天局(NASA)官方网站的图片,特此声明。
要发现暗物质,不能光指望概率。科学家的“拼概率”,相当于我们常说的“拼人品”,运气好的话,仁慈的大自然会很快揭示其秘密,运气不好的话,敏感的大自然把秘密藏个几百年也是正常的。XMASS虽然被寄予厚望,但是什么时候能有所斩获,基本上就是听天由命,也许明年就有结论,也许很长时间都不会有结果。
为了确保能发现暗物质的本来面目,欧洲科学家走了一条完全不一样的道路。他们认为,暗物质就算再神秘,也是宇宙大爆炸时超高能量制造出来的物质,那么只要能人工再现一次宇宙大爆炸的情景,就能直接生产出暗物质了。法国和瑞士交界处的“欧洲核子研究组织”(简称CERN),拥有世界上最大的粒子物理学实验室,那里面有一个“大型强子对撞机”(简称LHC),可以模仿宇宙诞生初期的粒子对撞。
LHC是一个周长27千米的环形设备,质子在里面可以加速到接近光速,然后互相正面撞击,从而制造出非常大的能量,力求回溯宇宙大爆炸之后千分之一秒的情况,再看能不能造出暗物质。观测的方式是看对撞能量是否均匀,如果暗物质真的是超对称粒子,就会观测到一些异常的能量分布。不过,和XMASS一样,发现暗物质不是那么轻而易举的事情,所以CERN每隔一段时间就会更新对撞机的硬件,不断提高实验的能量和精度,以期尽早有所斩获。
XMASS和CERN的实验,都是希望寻找超对称粒子,然而会不会理论方向本身就找偏了呢?
一些科学家认为,暗物质还有一个潜在的候选者,叫作“轴子”。这也是一个理论上存在的粒子,还没有找到。根据计算,如果轴子真实存在,它可以满足暗物质的各种条件,但是会非常轻,质量只有质子的100万亿分之一。所以,如果轴子是暗物质,那要求宇宙里轴子的密度必须高得惊人。和超对称粒子一样,轴子也还没有找到,但是多了一个潜在的候选者,毕竟就多了一分成功的希望。
现在,全世界的科学家都在竞争,看谁先找到暗物质,到时候肯定不止一个人会获得诺贝尔奖。然而这个新世界的大门,不是那么容易打开的,比大海捞针还要艰难得多,除了坚定不移的决心,还需要相当好的运气。也许到下个月,我们就能看到“科学家揭开暗物质真相”的新闻,也许再过一个世纪,人类也没有实质性的进展。
无论如何,暗物质都在提醒我们,大自然神秘莫测,世界远比我们所知的要广阔深奥得多。曾经有人问暗物质的发明者鲁宾,她觉得暗物质会是什么,她是这么回答的:“我们不是很善于想象完全不同的东西,在伟大的自然面前,要保持谦卑”。