暗物质

暗物质

真实世界里的神秘物质

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。

看不见的物质

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。

新的发现

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。

引力带来的大发现

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。

真正的看不见

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”。

暗物质是什么？

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。

暗物质不是已知的物质

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。

暗物质的条件

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。

寻找暗物质

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。

直面未知的世界

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”。