暗物質世界的生命，過著怎樣的生活？

暗物質和暗能量構成的「暗宇宙」，與我們的宇宙交織在一起。雖然看不見也摸不著，但暗宇宙中的暗居民們或許過著跟我們一樣豐富精彩的隱秘生活。

1846年9月23日，德國柏林天文台台長約翰·戈特弗里德·伽勒（Johann Gottfried Galle）收到一封信，一封即將改變天文學發展進程的信。寄這封信的是一個法國人，名叫於爾班·勒威耶（Urbain Le Verrier）。他一直在研究天王星（Uranus）的運動，得出了如下結論——天王星的軌跡無法用當時已知的、作用於其上的引力來完全解釋。於是勒威耶提出，必定存在一個當時尚未觀測到的天體，它的引力干擾了天王星軌道，而且干擾方式剛好能夠解釋觀測到的異常運動。就在當天晚上，伽勒將望遠鏡瞄向了勒威耶指明的方向，發現了太陽系的第八大行星——海王星（Neptune）。

歷史在現代宇宙學中再度上演——天文學家觀測到宇宙中的異常運動，推測存在新的物質，然後努力去尋找它們。這次扮演天王星角色的是恆星和星系，我們看到它們正以一種不應該有的方式在運動，扮演海王星角色的則是我們推斷存在卻迄今未能觀測到的東西，現在暫時被稱為暗物質（dark matter）和暗能量（dark energy）。根據我們看到的那幾類異常現象，我們能夠搜集到一些與它們有關的基本事實。暗物質似乎是一片不可見粒子的海洋，它們充斥在空間各處，密度並不均勻；暗能量則均勻分布，就好像與空間本身的結構交織在了一起。科學家還沒能再現伽勒當年的壯舉——將望遠鏡指向天空便明確無誤地瞥見了未被看到的目標，但令人心動的線索及暗示，比如粒子探測器里的神秘信號，數量卻在不斷增長。

儘管海王星是作為暗中影響天王星的一股神秘力量而被發現的，但它本身也是一顆令人著迷的星球。這樣的情況會在暗物質和暗能量身上再現嗎？尤其是暗物質，科學家開始考慮這樣一種可能性——暗物質並非只是為解釋可見物質異常運動而發明出來的抽象概念，而是宇宙隱藏起來的另一面，內部有著豐富精彩的活動。它或許由許多種不同的粒子構成，通過自然界中的全新作用力發生相互作用——這樣一個完整的宇宙，靜悄悄地與我們自己的宇宙交織在了一塊。

宇宙隱暗面

這些想法與科學家一貫沿用的如下假設有所出入，即暗物質和暗能量是宇宙中最不擅長「交際」的東西。自從20世紀30年代天文學家首次推斷暗物質存在以來，他們就把「不與其他東西相互作用」當成了暗物質的招牌屬性。天文觀測暗示，暗物質的總質量是普通物質的6倍。星系和星系團全都被巨大的暗物質球包裹，天文學家稱之為「暗物質暈」（dark matter halo）。如此大量的物質居然能避開直接檢測，天文學家據此推論：暗物質必定由幾乎不與普通物質互動、當然彼此間也幾乎不發生相互作用的粒子構成。它們唯一的作用，就是為發光物質搭建引力「腳手架」。

天文學家認為，暗物質暈在宇宙早期率先形成，然後才把普通物質吸引了進來。普通物質由於擁有一系列豐富多樣的互動能力而發展出了錯綜複雜的結構，毫無生氣的暗物質卻依然停留在原始狀態。至於暗能量，它唯一的作用似乎就是加速宇宙膨脹，而且現有證據表明，自宇宙誕生以來，暗能量就完全沒有發生過任何變化。

推動人們對「暗物質可能會更有生氣」產生預期的，與其說是天文學研究，倒不如說是對原子內部運作機制和亞原子粒子微觀世界的細緻探索。粒子物理學家有這樣一個傳統：能夠在已知物質的行為當中看出未知物質形式的蛛絲馬跡。他們的證據提供了完全獨立於宇宙中異常運動的另一條線索。

對於暗物質而言，這條思路最早可以追溯到20世紀初放射性β衰變的發現。為了解釋放射性β衰變這種現象，當時的義大利理論學家恩里科·費米（Enrico Fermi）假定，自然界中存在一種新的作用力和一類新的作用力傳遞粒子，是它們導致了原子核的衰變。新的作用力類似於電磁力（electromagnetism），新的粒子則類似於光子（photon）——不過有一點不同，而且至關重要。光子沒有質量，因而運動能力超強，費米卻主張這些新粒子必須很重。它們的質量會限制它們的活動範圍，這樣才能解釋為什麼這種作用力能夠導致原子核分裂，卻無法在其他情況下被人察覺。為了能夠再現出觀測到的放射性同位素的半衰期（half-life），這些新粒子必須相當重——大約是質子質量的100倍，換算成粒子物理學裡的標準單位，就是大約100 GeV（十億電子伏特）。

這種新的作用力現在被稱為弱核力（weak nuclear force），假想中的弱核力傳遞粒子則是W粒子和Z粒子，已經在20世紀80年代被人發現。它們本身並不是暗物質，但它們的性質暗示了暗物質的存在。按照粒子物理學家的經驗來推測，它們不應該有這麼重才對。這麼大的質量暗示，有東西在對它們施加影響——新的粒子導致它們承擔了更多的質量，就好像一位朋友老是誘惑你再多吃一塊蛋糕一樣。大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）的一項任務就是要尋找這些粒子，它們的質量應該跟W粒子和Z粒子的質量相當。事實上，物理學家認為排著隊等待被發現的粒子或許多達好幾十種——按照所謂的超對稱（supersymmetry）原理，每種已知粒子都有一種未知粒子與它對應。

在這些假想的粒子當中，有一大類被統稱為弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）。之所以起這個名字，是因為這些粒子只通過弱核力發生相互作用。由於跟主宰著日常世界的電磁力完全「絕緣」，這些粒子根本是看不見的，也幾乎不會對普通粒子產生任何直接的影響。因此，它們成了宇宙中暗物質的完美候選者。

不過，這些粒子能否真正解釋暗物質，還取決於它們的數量有多少。而這，正是粒子物理學觀點真正吸引眼球之處。與其他任何種類的粒子一樣，WIMP粒子也是在宇宙大爆炸的「烈焰」中產生的。在宇宙的極早期，高能粒子碰撞既能創造WIMP粒子，也能摧毀WIMP粒子，因而在任意時刻，都會有一定數量的WIMP粒子存在。這一數量會隨時間而變，具體取決於受宇宙膨脹驅動的兩個相互抵觸的效應。第一個效應是宇宙這鍋「原湯」的冷卻，這會降低可用於產生WIMP粒子的能量，因此它們的數量會減少。第二個效應是粒子的稀釋，這會降低粒子碰撞發生的頻率，直到碰撞實際上不再發生為止。到了此時，也就是大爆炸後大約10納秒（nanosecond，十億分之一秒），WIMP粒子的數量便被凍結了下來。宇宙不再擁有創造WIMP粒子所需的高能量，也不再具備摧毀它們所需的高密度。

根據WIMP粒子的預期質量以及它們的相互作用強度（這決定了它們彼此湮滅的發生頻率），物理學家很容易就能計算出應該會有多少WIMP粒子被保留下來。令人驚訝的是，這樣計算出來的WIMP粒子數量不多不少，在質量和相互作用強度的估算精度之內，剛好能夠解釋今天宇宙中的暗物質。如此不同尋常的吻合，被科學家稱為「WIMP巧合」（WIMP coincidence）。為解決粒子物理學領域的百年難題而被提出的粒子，就這樣乾淨利落地解釋了宇宙學的觀測事實。

這條證據鏈同樣暗示，WIMP粒子幾乎不發生相互作用。簡單估算一下就能夠預言，從你開始閱讀這篇文章時算起，已經有將近十億個這樣的粒子從你的身體里穿過，除非你極其幸運，否則不會有任何一個粒子產生任何可以識別的影響。平均需要一年的時間，你才有可能遇到一個WIMP粒子，被你細胞里的原子核散射，釋放出極其微弱的能量。為了有希望檢測到這樣的事件，物理學家建起了粒子探測器，長期監測大量的液體或者其他物質。天文學家還在尋找星系中的輻射爆發現象，這可能標誌著在星系中盤旋的WIMP粒子發生了罕見的碰撞及湮滅事件。尋找WIMP粒子的第三種方法，則是在地球上的實驗室里嘗試著去合成它們。

比WIMP更孤僻

科學界正投入巨大精力專註於搜尋WIMP粒子，或許給人留下了這樣的印象：這些粒子是理論上唯一可行的暗物質候選者。果真如此嗎？事實上，粒子物理學領域最近取得的一些進展，已經揭露了其他的可能性。這些研究暗示，WIMP只是浮於水面之上的冰山一角。潛藏在水面之下的，可能是一些隱秘的世界，它們都有著自己的物質粒子和作用力。

此類進展之一，就是提出了比WIMP粒子更「孤僻」的粒子。理論暗示，宇宙誕生最初1納秒中誕生的WIMP粒子可能是不穩定的。短則幾秒、長則數天之後，它們就會衰變成一類新的粒子，質量差不多，但不會再通過弱核力發生相互作用——引力是它們與外部自然界發生聯繫的唯一方式。物理學家開玩笑地稱它們為超級WIMP粒子（super-WIMP）。

這一構想的重點在於，是這些粒子，而不是WIMP粒子，構成了今天宇宙中的暗物質。超級WIMP粒子能夠避開直接觀測式搜索，但仍有可能推斷出它們的存在，因為它們會在星系形狀上留下「泄露天機」的印記。形成之初，超級WIMP粒子會高速運動，速度逼近光速。它們需要一段時間才能停下腳步，而只有在此之後，星系才有可能開始形成。這麼一延遲，在宇宙膨脹把物質稀釋之前，留給星系中心吸積物質的時間就會減少。因此，暗物質暈中心的密度應該就能揭示，構成暗物質的到底是WIMP粒子還是超級WIMP粒子。這也是天文學家正在檢驗的方法。此外，WIMP粒子衰變成超級WIMP粒子的過程應該會產生光子或電子之類的副產物，這些粒子能夠把輕原子核撞碎。有證據表明，宇宙中的鋰元素比理論預期的要少，超級WIMP假說是解釋這一差異的唯一辦法。

超級WIMP模型還為實驗物理學家可能觀測到的現象開創了全新的可能。比方說，如果構成暗物質的是超級WIMP粒子而非WIMP粒子，那後者就沒必要非得是「暗」的不可，也沒有必要非得這麼「孤僻」——它可以擁有一個電荷。不管它擁有什麼電荷，都不會對宇宙的演化產生影響，因為這種粒子很快就衰變掉了。然而，帶電荷的WIMP粒子在探測器里會非常扎眼，如果實驗物理學家能夠重新創造出它們的話。粒子探測器會把它們標記為「加強版」電子：擁有與電子一樣的電荷，質量卻至少大了10萬倍，這樣的粒子會華麗麗地穿過探測器，在身後留下一條壯觀的軌跡。

暗作用力與隱秘世界

超級WIMP模型給我們上了重要的一課：無論是從理論上還是從觀測上，暗物質都沒有任何理由應該像天文學家傾向於假定的那樣毫無生氣。一旦承認這些看不見的粒子可能擁有超出標準WIMP模型範疇的性質，考慮各種各樣的可能性就成了一件自然而然的事情。有沒有可能存在一整套看不見的粒子？會不會有一個跟我們一模一樣的隱秘世界，包含著我們看不見的電子和質子，構成我們看不見的原子和分子，再構建起我們看不見的行星和恆星，甚至演化出我們看不見的人類呢？

存在一個跟我們一模一樣的隱秘世界，這種可能性早就被細緻地探討過了。這樣的討論最早可以追溯到1956年，當時楊振寧和李政道在後來獲得諾貝爾獎的那篇論文上，對此展開過一段即興討論。後來又有更多科學家加入到了討論當中，包括澳大利亞墨爾本大學（University of Melbourne）的羅伯特·富特（Robert Foot）和雷蒙德·沃爾卡斯（Raymond Volkas）。這個想法確實令人心動。被我們當作暗物質的東西，會不會真的是一個跟我們一模一樣的隱秘世界存在的證據？那裡會不會有我們看不見的物理學家和天文學家，正透過他們的望遠鏡觀察他們的世界，而且也在困惑他們的暗物質是什麼——而實際上，他們的暗物質正是我們自己呢？

遺憾的是，基本的觀測事實表明，隱秘世界不可能跟我們看得見的這個世界一模一樣。首先，暗物質的數量是普通物質的6倍。其次，如果暗物質的行為與普通物質一樣，暗物質暈會像銀河系裡的銀盤一樣扁平——這會對它們的引力產生重大影響，卻從來沒有被觀測到。最後，如果存在跟我們世界裡一模一樣的隱秘粒子，宇宙膨脹會受到影響，改變早期宇宙中氫和氦的合成；宇宙中元素構成的測量結果排除了這種可能性。這些論據都對存在我們看不見的隱秘人類提出了強有力的反對。

也有科學家認為，暗世界可能確實是多種粒子和作用力構成的一個複雜網路。在一系列研究中，包括本文作者之一馮孝仁和美國夏威夷大學馬諾阿分校的（University of Hawaii at Manoa）雅松·庫馬爾（Jason Kumar）在內的一些科學家發現，推導出WIMP模型的同一個超對稱理論框架，還允許存在其他一些不同的模型，那些模型中沒有WIMP粒子，卻存在許多其他類型的粒子。不僅如此，在許多不存在WIMP的理論當中，這些粒子彼此間還會通過最新假設的多種暗作用力（dark force）發生相互作用。我們發現，這樣的暗作用力會改變早期宇宙中粒子創造和湮滅的速率，不過同樣，這些數字經過計算之後，可以剩下適當數量的粒子用來解釋暗能量。這些模型預言，伴隨暗物質一同出現的，或許是一種隱秘的弱核力，甚至更不同尋常，是一種隱秘的電磁力，這意味著暗物質或許會發射和反射隱秘光。

當然，這種「光」我們是看不見的，因此暗物質依然是「暗」的。不過，新作用力能夠產生非常顯著的效應。比方說，兩團暗物質雲對穿時，新作用力能夠扭曲暗物質雲的形狀。天文學家已經在著名的子彈星系團（Bullet Cluster）中搜尋過這種效應，這個天體正是由兩個對穿的星系團構成的。觀測表明，星系團短暫的混合沒有給暗物質帶來太大的干擾，暗示任何暗作用力都不會非常強大。研究者目前正在其他天體中繼續展開搜尋。

子彈星系團是天文學家手中最令人信服的暗物質證據之一。它實際上是一對相撞的星系團。碰撞並沒有影響星系裡的恆星（可見光圖像），因為在星系團尺度下，恆星實在是太小了，但星際氣體雲狠狠地撞在了一起，釋放出X射線（粉色）。暗物質（藍色）的引力扭曲了背景天體發出的光，暴露了它自身的存在。暗物質與恆星依然交融在一起——表明不論是什麼粒子構成了暗物質，它們都非常不喜歡發生相互作用。

這樣的作用力還讓暗物質粒子能夠彼此交換能量和動量，這一過程傾向於使暗物質均勻化，導致原本不對稱的暗物質暈變成球形。這種均勻化過程在被稱為「矮星系」（dwarf galaxy）的小星系中表現應該最為顯著，那裡的暗物質運動緩慢，粒子總是逗留在彼此附近，微弱的效應也有時間積累起來。如果觀測到小星系的暗物質暈整體上要比大星系的更圓一些，這或許就是泄露天機的信號，表明暗物質在通過新作用力發生互動。天文學家才剛剛開始進行此類研究。

從暗物質到暗能量

同樣令人心動的另一種可能性是，暗物質與暗能量會發生相互作用。現有的大多數理論將它們當成是互不相關的兩樣東西，但沒有任何真正的理由表明它們非得如此不可。物理學家現在已經在考慮它們可能會如何相互影響了。他們希望兩者之間的關聯能夠緩解一些宇宙學難題，比如所謂的「巧合問題」（coincidence problem）——為什麼宇宙中暗能量和暗物質的密度剛好差不多。暗能量的密度大約是暗物質的3倍，但兩者完全可以相差1000倍甚至100萬倍的。如果暗物質通過某種方式導致了暗能量的出現，這樣的巧合就可以理解了。

與暗能量的關聯或許會讓暗物質粒子彼此之間通過一些普通粒子無法做到的方式發生互動。最近提出的一些模型允許，有時候甚至要求，暗能量對暗物質施加一種不同於它們施加在普通物質上的作用力。在這種作用力的影響下，暗物質會傾向於跟任何已經與它交織在一起的普通物質拉開距離。2006年，美國加州理工學院的馬克·卡米翁科沃斯基（Marc Kamionkowski）和當時任職於加拿大多倫多理論天體物理研究所的邁克爾·凱斯登（Michael Kesden）提議，在已經被較大的近鄰星系扯得四分五裂的矮星系裡尋找這種效應。以正在被銀河系肢解的人馬座矮星系（Sagittarius dwarf galaxy）為例，天文學家認為它的暗物質和普通物質已經湧入銀河系。卡米翁科沃斯基和凱斯登計算後發現，如果施加在暗物質和普通物質上的作用力相差超過4%，那麼無論誰強誰弱，這兩種成分都會逐漸疏遠到一種能夠被觀測到的程度。然而，到現在為止，觀測數據沒有顯示出任何疏遠的跡象。

另一個想法是，暗物質和暗能量之間的關聯會改變宇宙中物質結構的成長，這取決於包括暗物質和暗能量在內的宇宙組分，而且相當靈敏。包括本文作者之一特羅登及其同事——雷切爾·比恩（Rachel Bean）、埃亞納·弗拉納根（Eanna Flanagan）和美國康奈爾大學伊斯特萬·拉斯洛（Istvan Laszlo）在內的一些研究者，最近已經利用這種強有力的限制條件，排除了一大類理論模型。

儘管這些觀測結果「毫無結果」，但理論上存在一個複雜暗宇宙的情形現在已經深入人心，以至於許多科學家認為，如果真的證明暗物質不過是一團團毫無差別的WIMP粒子，反倒會令人大跌眼鏡。畢竟，可見物質由一大堆各種各樣的粒子構成，發生著由更深層次優美對稱原理決定的多種相互作用，沒有跡象表明，暗物質和暗能量會有任何不同。我們或許不會遇到暗恆星、暗行星或者暗人類，但就像我們很難想像沒有了海王星、冥王星（Pluto）和一大堆更偏遠天體的太陽系會是一個完整的太陽系一樣，或許有朝一日，我們也將很難想像沒有一個錯綜複雜而且令人著迷的暗世界的宇宙會是一個完整的宇宙。

撰文：馮孝仁（Jonathan Feng）、馬克·特羅登（Mark Trodden）?

翻譯：虞駿

作者簡介：

馮孝仁是一位理論物理學家，在粒子物理學和宇宙學的交叉領域專門從事暗物質研究工作。現為美國加利福尼亞大學歐文分校物理學及天文學教授。

馬克·特羅登研究粒子物理學和宇宙學。他是美國賓夕法尼亞大學粒子宇宙學研究中心副主任。

《環球科學》7月刊現已正式上市

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