来感受一下暗物质的引力

石无鱼

由10亿个传感器组成的阵列能否探测到我们身边的暗物质？

预言暗物质的存在，在近一个世纪前是轰动科学界的一件大事，曾让许多天文学家眉飞色舞。但是，最近几年，他们越来越着急了。

他们为什么着急？一句话，这关乎他们的信誉。

你瞧，我们本来确信自己活在一个阳光灿烂的世界里，可是有一天他们跑来信誓旦旦地告诉我们，在宇宙中还存在大量看不见、摸不着、感觉不到的东西，也就是他们所称的暗物质。而且据他们说，暗物质是普通的可见物质的5倍还多。这就好比有人来告诉你，这个世界其实由幽灵主宰，这里的幽灵比活人还多。这能不让你心里一惊么？

既然有这么多的暗物质，那他们好歹拿个出来给我们看看呀。这正是着急的所在，因为他们已经搜索了差不多半个世纪，迄今连一点影儿都没找到。

既然没找到，那就继续吧。没错，他们最近又有了一个新的点子：通过直接探测暗物质的引力来揭示它们的存在。

暗物质目前唯一确定的性质

听我这么一说，熟知暗物质历史的你一定会说：这算什么新点子！人尽皆知，暗物质跟普通物质只有引力作用，我们本来就只能通过引力来探测它们嘛！

这话自然没错。不过，天文学家为什么先前没想到“这一点”，个中的原委却一言难尽。

暗物质最早是出于天文學上的需要提出来的。因为天文学家发现，很多星系边缘的恒星运动速度很快，可是奇怪的是，它们居然没有逃离星系。

这话怎么说呢？我们知道，物体做圆周运动，需要向心力;速度越快，需要的向心力也越大。这些恒星运动那么快，需要的向心力一定很大。那么，是什么天体产生的引力，使它们没能飞出去呢？

我们知道，引力大小跟两个天体质量的乘积成正比。能把星系边缘的恒星控制住的，差不多是整个星系的质量。可是当天文学家根据星系中的发光天体加上盘踞中心的黑洞估算出该星系的质量时，他们发现，这点质量远远不够把边缘的恒星控制住。这就迫使他们提出，星系中还存在大量不发光的物质，正是这些物质产生的引力，使这些星系边缘的恒星不至于逃逸。这些物质就是所谓的暗物质。注意，这里所谓的“发光”，不仅指发可见光，也包括散发紫外线、无线电波等其他电磁波。总之一句话，暗物质不会发射电磁波。

电磁波是电磁作用的结果，所以这又意味着暗物质之间以及它跟普通物质之间，都没有电磁作用，让我们所有的望远镜都鞭长莫及。

在普通物质中，强核力是为了克服电磁力而存在的。譬如，氧原子核由8个质子和8个中子组成。8个质子都带正电荷，距离又靠得非常近，如果没有强核力把它们“捏”在一起，它们早就因静电排斥各自逃散了。现在，暗物质没有电磁力作用，对于它，强核力似乎也失去了存在的理由。所以，一般认为暗物质之间以及暗物质与普通物质之间，也不存在强核力作用。至于弱核力是否存在，暂时还无法确定（下面你将会看到，我们以往探测暗物质正是基于它们之间存在弱核力这一假设的）。

所以，我们对暗物质的性质迄今唯一可以确定的是：它们之间以及它与普通物质之间，存在引力作用。

以往是如何探测暗物质的

说到这里，你也许会说：既然如此，那我们就去探测它的引力好了。可是说得轻巧，要知道，引力是一种极其微弱的作用力。

说引力是一种微弱的作用力，似乎可笑。从高楼上掉下一个花盆，可以把停在下面的小车砸穿。这不就是地球引力惹的祸吗，怎么算微弱呢？

这当然是事实，但强弱是相对而言的。前面说过，引力大小跟两个天体质量的乘积成正比，花盆质量不大，可地球质量大呀。如果引力大，那我们人与人就会碰在一起，车与车碰在一起，我们还怎么生活？所以幸亏引力小。在物理学家看来，让两个质子保持在同样的距离，那么它们之间的静电力比它们之间的引力，要高出40个数量级。40个数量级是什么概念？就是1后面添加40个零！

引力的强度是如此微弱，所以要去探测我们身边暗物质的引力，几乎不可能。它们的引力，也只能在星系量级的天体中，才能体现出来。

那么，以往人们是怎么探测的暗物质的呢？这就要涉足粒子物理学了。

物理学上认为，所有物质都是由粒子组成的。暗物质也不例外，因此应该存在暗物质粒子。可是在粒子物理学的标准模型中，能满足暗物质性质的，只有一种粒子，那就是中微子。中微子不带电，所以没有电磁作用。但中微子有质量，所以必定受引力作用。中微子与普通物质有弱核力作用，而前面提到，暗物质并不排斥弱核力。

但遗憾的是，中微子质量太轻，似乎难以担当暗物质占宇宙物质总质量的85%的重任。此外，它们跑得太快，太难管束，似乎难以把它们束缚在星系里。

这样，人们就把希望寄托在大质量弱相互作用粒子（WIMP）身上。WIMP是一种假想的粒子，是超对称理论预言的。超对称理论是一门很高深的理论，你只要知道它是目前粒子物理学标准模型的扩展版就行了。

WIMP的质量预计在质子的50到几千倍之间，并且它不仅通过引力，也通过弱核力与普通物质作用。弱核力虽然称“弱”，但其实比电磁力还强得多，这就为暗物质提供了一种更容易探测的方法：当暗物质遇到普通物质时，或许会像中微子一样，发生弱核反应，从而暴露其踪迹。

然而令人沮丧的是，迄今30多年过去了，我们依然没有发现WIMP。更要命的是，最近连预言WIMP的超对称理论也岌岌可危了。因为超对称理论还预言了其他一些粒子，但欧洲大型强子对撞机经过一次次升级之后，能量已经足够高，按理应该能碰撞出一部分这些粒子，但它依然一无所获。所以，现在越来越多的怀疑目光落在了超对称理论头上。

暗物质占宇宙物质总量的80%左右

通过引力探测暗物质

在这种情况下，美国马里兰大学的理论物理学家丹尼尔·卡尼和他的同事提出，我们应该“重拾初心”：既然真正确定暗物质性质的事情只有一件，即它和普通物质之间存在引力作用，那我们为何不直接去探测它的引力呢？

咦！前面不是说暗物质的引力太弱了吗？没错，但时移势易，今天我们最好的设备已经能够探测极其微小的力了，小到10-21牛顿！1牛顿大约相当于一个苹果的重量，而10-21牛顿大约是一条RNA的重量。这一精度甚至超越了探测引力波的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的能力。而你知道LIGO的精度有多高吗？在从地球到太阳这么长的距离内，哪怕只发生一个质子直径那么小的距离变化，都能探测出来！

能敏锐地感觉极微小的力的传感器有多种版本。卡尼他们青睐的是這样一个版本：用几束激光将一个直径几百纳米的玻璃珠“夹”起来，在超高真空中保持微妙的平衡，并将其冷却到接近绝对零度。当它身边有暗物质飘过时，暗物质对它的引力将会使其失去平衡。

当然，一个暗物质粒子的引力还是太小了，至少要一个暗物质团块。研究人员的计算表明，假如有一颗细盐粒般大小（质量可以小到百万分之一克）的暗物质团块碰巧在距离玻璃珠不到一毫米的空间飞过，我们就能观测到珠子的振动。

LIGO的混凝土隧道中藏着迄今探测引力最敏感的装置

这听起来很简单，不过成为现实之前，仍有一些障碍需要跨越。首先，你如何排除周围环境的干扰呢？比如说，电梯在实验大楼升降造成的地面震动，你如何排除？

有一个变通的办法。当地球和整个太阳系以每小时约80万千米的速度围绕银河系中心旋转时，地球或许正穿过一片暗物质的“丛林”。卡尼和他的同事证明，如果你将许多传感器安排在一个有规律的三维网格中，当一个暗物质团块穿过时，它们会以一种协调的方式振动。请想象一下你穿过一片茂密的灌木丛的情景。当你钻进灌木丛的时候，前方的灌木往两边倒，在你身后的则又迅速地合拢来。把你自己想象成暗物质团块，把这些灌木想象成传感器，那么传感器阵列就以类似的方式协调振动，而来自周围环境的干扰产生的振动是不会这么有规律的。

然而，问题就在这里。鉴于计算出的暗物质的密度，在1立方米大小的空间需要布置100万到10亿个超敏感的传感器，而目前，一个传感器的成本大约是100万美元。这真是一个烧钱的活，需要成本大幅度下降之后才可行。

所以，目前科学家们只是在做前期的准备工作。譬如，卡尼和其他几位科学家正通力合作，希望未来一年内先建造由大约10个传感器组成的一个简单阵列，为以后建造更大的阵列积累经验。

拓展阅读

用反物质探测暗物质

如果我们用普通物质（如正文中的玻璃珠）探测不到暗物质，我们还可以用反物质试试运气。

我们知道反物质是存在的，但关于反物质，仍有一些谜团未解。粒子物理学的标准模型说，粒子和它的反粒子，除了电荷相反，其他性质完全一样;而且在大爆炸中，创造的物质和反物质是完全等量的。

可是如此一来，我们这个物质占主导的宇宙的存在就成问题了。因为物质和反物质一接触就湮灭，要是两者等量，湮灭之后任何物质都不会剩下。这个矛盾迫使一些物理学家猜测，粒子和它的反粒子很可能在性质上有微小的差异。正是这点微小的差异，让我们的宇宙幸存了下来。

鉴于粒子物理学的标准模型并未解释暗物质是什么，它与反物质和物质的相互作用可能也是不同的。如果它与反物质有更多的相互作用，这不仅可以为反物质之谜提供一个新的解释，还可以提供一种探测暗物质的办法。