1981年8月19日，美國民歌搭檔西蒙（Paul Simon）和加芬克爾（Art Garfunkel）在紐約市的中央公園舉辦了一場免費的公益演唱會，現(xiàn)場有多達50多萬觀眾共囊盛舉。那晚的壓軸表演是他們十多年前創(chuàng)作的《寂靜之聲》（The Sound of Silence）：“哈羅，黑暗，我的老朋友。我又來與你交談啦……”
在那個年代，天文學(xué)家已經(jīng)很不情愿地接受了暗物質(zhì)。雖然有越來越多的證據(jù)表明其存在，但這個素未謀面的“老朋友”依然隱藏在黑暗之中，科學(xué)家們無從與之“交談”。
茲威基之所以把他發(fā)現(xiàn)的“迷失物質(zhì)”叫做暗物質(zhì)，是因為它不發(fā)光，我們無法看見它。在茲威基的時代，借助望遠鏡用眼睛或相片看天體是天文觀測的主要手段，而1970年代的天文學(xué)家已經(jīng)有了射電、微波、紅外等不同電磁波段的探測途徑，但是，仍然無法找到暗物質(zhì)的蹤影：暗物質(zhì)不僅不發(fā)出可見光，而且沒有發(fā)出任何電磁輻射。
事實上，宇宙中有很多本來就不發(fā)光的星體，比如地球在太陽系中的鄰居月球、行星、衛(wèi)星等，我們之所以能夠看到它們是因為它們反射太陽光。同時，宇宙中也有完全不反射電磁波的星體，那就是黑洞。黑洞自身的引力非常大，即使以光速傳播的電磁波也無法逃逸，都將完全被黑洞吸收而沒有反射。2019年4月，天文學(xué)家采用大量望遠鏡協(xié)同觀測以及大數(shù)據(jù)分析等手段成功地組合了第一張黑洞附近的“照片”。它是迄今最接近“看到黑洞”的圖像。在黑洞周圍，除了鄰近高速氣體所發(fā)出的光，那里是一片漆黑。黑洞不僅完全吸收了它周圍的光，也吸收了來自它身后的星光，使得我們看不到它背后的宇宙空間。
與魯賓和福特所測量的那些星系一樣，銀河系周圍也充斥著暗物質(zhì)。但是，我們既沒有看到近處暗物質(zhì)的反光，也沒有因為暗物質(zhì)遮天蔽日而看不到遠方的群星。我們壓根沒有察覺到暗物質(zhì)的存在。
也許暗物質(zhì)這個名字并不貼切。它不是因為吸收了外來的光而顯得黑暗，而是恰恰相反，暗物質(zhì)既不發(fā)射也不被吸收，它對光或電磁波完全透明。如果我們正對著暗物質(zhì)，還是能清清楚楚地看到其背后的星光，仿佛暗物質(zhì)穿著科幻小說中的隱身衣。一代代天文學(xué)家凝望遠方的星系，對星系與地球之間的暗物質(zhì)都是視而不見。
當愛丁頓第一次聽到量子力學(xué)中詭異的“測不準原理”（uncertainty principle）時，他曾無可奈何地評論道：“某種未知的東西正在做著我們不知道的事”（"Something unknown is doing we don't know what."）。他那時候還不知道暗物質(zhì)，但這句話用在暗物質(zhì)上或許更為貼切。
前蘇聯(lián)的澤爾多維奇幾乎立刻就意識到在基本粒子世界里有現(xiàn)成的不參與電磁作用，而且完全“透明”的粒子，那就是“中微子”（neutrino）。
早在20世紀初，物理學(xué)家通過放射性衰變了解原子核內(nèi)部的成份和結(jié)構(gòu)時，他們對β衰變現(xiàn)象尤其頭疼。在β衰變中，他們發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)跑出一個本不該有的電子，而且那個過程中似乎能量、動量、角動量都不守恒，違反了物理規(guī)律。對此，泡利（Wolfgang Pauli）在1930年別出心裁地提出：可能還有一個未被覺察的“幽靈”粒子偷偷地帶走了剩余的能量、動量和角動量。因為那粒子不帶電，他當時把它命名為“中子”（neutron）。
無獨有偶，物理學(xué)家在原子核碰撞試驗中也發(fā)現(xiàn)了不明的中性粒子。1930年，剛到德國留學(xué)的中國研究生王淦昌向?qū)煛⒅宋锢韺W(xué)家邁特納（Lise Meitner）提議用云室探測該粒子，但未被采納。不久，英國的查德威克（James Chadwick）在1932年用類似于王淦昌提議的探測方法發(fā)現(xiàn)了中子，他也因此獲得1935年的諾貝爾獎。
中子的發(fā)現(xiàn)是核物理研究的一個里程碑，自此人們知道了原子核由帶正電的質(zhì)子（proton）和不帶電的中子組成。β衰變是一個中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子的過程，同時釋放出一個電子，外加泡利假想的粒子。但那個幽靈不是中子，因為它的質(zhì)量比中子小得多，只好“降級”稱它為中微子（意大利語中的“微小的中子”）。不過，當時對它的存在與否依然是個謎。
中微子不參與電磁作用，它在離開原子核后會無拘無束，不再與世間任何物質(zhì)發(fā)生糾葛，可以輕易地穿過整個地球而不為人所知，也因此幾乎無法被探測。
王淦昌于1933年底獲得博士學(xué)位，1934年4月回國任教。1941年時他已經(jīng)是浙江大學(xué)的教授。盡管日本侵華造成師生不停地搬遷、逃難，但他在這樣的環(huán)境下依然寫就了一篇題為《一個探測中微子的建議》（A Suggestion on the Detection of the Neutrino）的論文，發(fā)表于次年美國的《物理評論》。他的的論文引起了美國物理學(xué)家的興趣，立刻就有人按照他的設(shè)計做實驗，可惜沒有成功。
后來在1947年，王淦昌再度在《物理評論》上發(fā)文提出探測中微子的幾個新方法。他的想法主要是通過測量不同元素的原子核在β衰變時的反彈，由此推斷逸出的中微子的軌跡，但這只能間接地發(fā)現(xiàn)中微子的存在。1956年，曾經(jīng)在二戰(zhàn)中參與原子彈研制的美國核物理專家科溫（Clyde Cowan）和萊因斯（Frederick Reines）用更直接的方式證實了中微子的存在：他們利用已經(jīng)棄用的核反應(yīng)堆，讓反應(yīng)堆中出來的中微子與質(zhì)子碰撞，終于產(chǎn)生出了中子和正電子，并捕捉到其后的特征伽瑪射線輻射。按照當時的理論推測，這樣的物理過程會有中微子參與弱相互作用，是β衰變的逆向。
泡利在提出他的假說時沒敢正式發(fā)表，只是用書信的形式告知同行。他私下對好朋友巴德承認：“今天我做了一件理論物理學(xué)家一輩子都絕對不該做的事：我預(yù)言了一個永遠不可能被實驗證實的東西！”巴德卻頗為樂觀，他與泡利打賭中微子會被實驗探測到。后來泡利認賭服輸，給巴德送去了一箱香檳酒。萊因斯提起這事就暴跳如雷，因為那些酒都被歡慶的理論家們喝光了，他和科溫一滴都沒沾上。40年后的1995年，萊因斯獲得諾貝爾獎，不幸的是科溫已經(jīng)去世，沒有分享這份殊榮。
在我們的身邊——甚至身體之中——也許正有中微子在幽靈般地通過，我們卻渾然不知。正因為如此，澤爾多維奇把它作為暗物質(zhì)的首選。
天文學(xué)家雖然對暗物質(zhì)基本上一無所知，卻至少肯定一點：暗物質(zhì)有質(zhì)量，參與引力作用。在他們看來，正是因為暗物質(zhì)提供的引力維系了旋轉(zhuǎn)星系的穩(wěn)定和速度分布，它們的質(zhì)量也為宇宙的平坦做出不可或缺的貢獻。
中微子被確定存在之后，它是否有質(zhì)量卻一直是個謎。因為中微子太難捕捉，無法確定其軌跡。它很可能與光子一樣，是一個沒有質(zhì)量的粒子，而即使有質(zhì)量，也是名不符實：其質(zhì)量微乎極微，沒有儀器能夠測量得出來。
澤爾多維奇只希望中微子能有一點點質(zhì)量，無論多小。只要宇宙中存在大量的中微子，其總和也就能解釋暗物質(zhì)的存在。于是，中微子的質(zhì)量問題一度成為粒子物理學(xué)的大熱點，尤其是在以蘇聯(lián)為統(tǒng)領(lǐng)的東方陣營。
1980年5月，蘇聯(lián)和美國都有人宣布了中微子有質(zhì)量的證據(jù)。那時粒子物理學(xué)家已經(jīng)知道，中微子其實有三種不同的類型。一個中微子可以在不同類型間轉(zhuǎn)換，叫做“中微子振蕩”（neutrino oscillation）。由于發(fā)生這種振蕩的前提條件是中微子有質(zhì)量，這個振蕩現(xiàn)象便成為中微子質(zhì)量的信號。美國的實驗仍然出自萊因斯，他發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的跡象。（中微子振蕩直到后來的世紀之交，才最后被日本的梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大的麥克唐納（Arthur McDonald）各自做的實驗所證實，他們因此獲2015年諾貝爾獎。）盡管萊因斯只是發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的跡象，仍然不知道中微子質(zhì)量有多大，但這個消息還是讓澤爾多維奇等人歡欣鼓舞，仿佛就此解決了暗物質(zhì)大難題。
皮布爾斯卻大不以為然。
如果中微子沒有質(zhì)量，它會像光子一樣以光速運動。即使中微子有質(zhì)量，因為其質(zhì)量之微小，它的速度也會非常接近光速。這樣的粒子可以在宇宙空間中縱橫馳騁，卻無法被星系物質(zhì)的引力束縛來構(gòu)成星系旋轉(zhuǎn)所需要的暈輪。要解釋星系周圍暈輪狀分布的暗物質(zhì)，中微子肯定不合適。與光速相比，那應(yīng)該是基本靜止的物體或粒子。
考慮到在熱力學(xué)中速度快意味著動能大、溫度高，科學(xué)家將中微子式的暗物質(zhì)稱作“熱暗物質(zhì)”（hot dark matter）；與其對應(yīng)，質(zhì)量大、速度慢的未知物體便叫做“冷暗物質(zhì)”（cold dark matter）。皮布爾斯堅持冷暗物質(zhì)，因為除了暈輪這個尚未被證實的概念之外，他還有另外的理由，即他一直傾心研究的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。
當沙普利在1952年退休時，他曾志得意滿地估算當時美國天文學(xué)的博士學(xué)位足足有一半是由他在哈佛的30多年中培養(yǎng)而出來的。遺憾的是，哈佛天文臺的輝煌也隨著時代的變遷而結(jié)束，天文觀測的圣地移向美國西部，由威爾遜山、帕洛瑪山等大型高山天文臺拔得頭籌。1973年，哈佛天文臺與鄰近的史密森尼天文臺合并，成立了今天的哈佛-史密森尼天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）。雖然名字很響亮，卻再難以吸引到首屈一指的教授。
1970年代后期，這個中心的幾個年輕博士后、研究生自己動手，利用當時的新技術(shù)組裝先進的測量儀器，可以用不是很大的望遠鏡同時拍攝大范圍的星光光譜。他們由此開始了一個大規(guī)模的光譜紅移普查（CfA Redshift Survey），試圖覆蓋整個宇宙。在用計算機程序分析收集來的大量數(shù)據(jù)之后，他們發(fā)現(xiàn)宇宙的組成不僅超越他們的想象，也比皮布爾斯早先的分析更為復(fù)雜。在已知的星系團之外，他們發(fā)現(xiàn)還有更大的“超星系團”（supercluster）。無論在多大的尺度上，星體都沒有呈現(xiàn)出均勻或隨機的分布，而是聚集成尺度越來越大、形狀各異的“纖維狀結(jié)構(gòu)”（filament）。在這些結(jié)構(gòu)之間則是空無一物的“空洞”（void）區(qū)域。
1989年，這個團隊還發(fā)現(xiàn)了一個巨大的纖維狀結(jié)構(gòu)，看起來像一個巨大的板塊：長5至7億光年、寬2億光年、厚1千6百萬光年。他們干脆把它命名為“長城”（Great Wall）。
哈佛-史密森尼天體物理中心發(fā)表的“宇宙一角”大尺度分布圖之一?？梢钥闯鑫镔|(zhì)分布的“纖維狀結(jié)構(gòu)”和其間的“空洞”區(qū)域。中間橫貫的那一長條便是“長城”
在哈佛之外，也有另外團隊在進行類似的工作，在超大尺度上描繪、記錄宇宙的真面目。隨著數(shù)據(jù)的積累，他們不僅能夠看到宇宙的全貌，更可以追溯這些大尺度結(jié)構(gòu)的演變：根據(jù)光傳播所需要的時間，距離我們越遠的結(jié)構(gòu)形成得越早，越接近宇宙之初。由遠而近地觀察星體分布的變化，便是在重放宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的形成及其演變過程。
皮布爾斯明白，暗物質(zhì)在宇宙大爆炸之初是熱還是冷，在這一演變上會出現(xiàn)天壤之別。在1982年霍金主導(dǎo)的那菲爾德會議之后，天文學(xué)家已經(jīng)有了共識：暴脹結(jié)束時的宇宙會因為量子力學(xué)的隨機漲落而帶有不均勻性，如果那時的宇宙中充滿了熱暗物質(zhì)，它會以接近光速的速度到處流竄，很快會將這些細微的不均勻性抹平，宇宙隨后的結(jié)構(gòu)只能是先形成尺度非常大的板塊，然后逐步分裂成為今天的星系。反之，如果暴脹之后的宇宙更多的是冷暗物質(zhì)，它們沒有能力四處奔跑，只能隨其不均勻就地聚集，它們的引力又吸引常規(guī)物質(zhì)來集結(jié)形成最早期的小星系，然后逐漸積累、長大而成為今天的星系、星系團、超星系團、纖維狀結(jié)構(gòu)等等。
也就是說，熱暗物質(zhì)的宇宙結(jié)構(gòu)只能是是自大而小地分裂而成，冷暗物質(zhì)的宇宙結(jié)構(gòu)則是自小而大地堆積而成。由于這兩個截然相反的演變可以通過哈佛等團隊的數(shù)據(jù)直接檢驗，于是冷暗物質(zhì)的理論很快取代中微子占據(jù)了上風(fēng)。然而，如果已知的不參與電磁相互作用的中微子不是暗物質(zhì)的首選，那么暗物質(zhì)又是什么呢？
按照在1970年代已經(jīng)成熟的基本粒子“標準模型”，質(zhì)量大的粒子由夸克組成：有由三個夸克組成的“重子”（baryon），也有由一個夸克和一個反夸克組成的“介子”（meson），它們合稱為“強子”（hadron）。因為夸克帶有電荷，強子都會參與電磁作用，即使是總電荷為零的中子，它們似乎都不可能是暗物質(zhì)。
在高能物理學(xué)界插手宇宙學(xué)、發(fā)明大爆炸、暴脹等新理論之后，宇宙學(xué)反過來為高能物理出了一個新難題：你們能有不參與電磁作用的重粒子嗎？大統(tǒng)一理論的先驅(qū)格拉肖（Sheldon Glashow）毫不含糊：我們做粒子理論的，可以隨意編造出各種粒子來，即使要填滿整個宇宙也不在話下。
格拉肖的豪邁有著悠久的傳統(tǒng)基礎(chǔ)。早在1928年，狄拉克在統(tǒng)一量子力學(xué)和狹義相對論時，他發(fā)現(xiàn)新方程有不符合物理規(guī)律的解。他沒有懷疑自己的理論，而是預(yù)言物質(zhì)世界中存在著有悖情理的“反粒子”。后來，他的預(yù)言居然被證實了。
格拉肖、溫伯格等統(tǒng)一弱電相互作用時，理所當然地引入了當時不存在、還是在1980年代初被實驗發(fā)現(xiàn)的“中間玻色子”（intermediate bosons），所以說理論家可以近乎隨意地發(fā)明新的粒子，然后坐等實驗團隊在越來越強大的高能對撞機中找到它們的蹤影。在規(guī)范場論中舉足輕重的“希格斯粒子”更是著名的一例：它是在1964年被理論家所預(yù)言的，直到2012年才被實驗證實。但是，曾經(jīng)被狄拉克預(yù)言、讓古斯和戴自海絞盡腦汁的磁單極至今仍然是一個只在理論中存在的粒子。
恰恰也在1970年代后期，理論物理學(xué)家為了解釋一個特定的對稱破缺機制，他們發(fā)明了一個名叫“軸子”（axion）的新粒子。現(xiàn)在，這個迄今尚無蹤影的軸子也成為了暗物質(zhì)的候選之一。
更多的人熱衷于一個“超對稱”（supersymmertry）理論?；玖Ｗ邮歉鶕?jù)本身的對稱性分為兩大類：玻色子（boson）和費米子（fermion）。超對稱理論認為這兩種粒子之間也存在對稱性：每個玻色子有一個對應(yīng)的費米子；每個費米子也有個對應(yīng)的玻色子。只是這個對稱性在宇宙初期很早就破缺了，所以我們今天只看到了剩下的一半。也許，那另一半還在以某種未知形式在宇宙中幽靈般地存在著，它就是科學(xué)家苦苦尋找的暗物質(zhì)。
中微子所對應(yīng)的是“超中性子”（neutralino）。它的物理性質(zhì)與中微子類似，但其質(zhì)量大得多。如果中微子是可能的熱暗物質(zhì)，超中性子正好是冷暗物質(zhì)。至于我們?yōu)槭裁磸臎]見過這些粒子，理論家有一個現(xiàn)成的回應(yīng)：它們質(zhì)量太大，現(xiàn)有的加速器沒有足夠的能量通過碰撞產(chǎn)生它們，還需要修建更大、更威武的加速器、對撞機。
理論家的天花亂墜讓天文學(xué)家莫衷一是，他們恨不得干脆把所有這些莫名其妙的粒子全叫做“暗子”（darkon）。芝加哥大學(xué)的特納（Michael Turner）編造出一個新名字：“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（weakly interacting massive particles），準確地描述了作為冷暗物質(zhì)的粒子特性——既有較大質(zhì)量又只參與弱相互作用。醉翁之意不在酒，他是在調(diào)侃：這個又長又拗口的名字有一個簡單上口的英文縮寫：“膽小鬼”（WIMP）。
既然你說宇宙中可能存在膽小鬼，好事的天文學(xué)家爭辯道：那也可以有“猛男”（MACHO）。這也是一個縮寫，來自于一個與膽小鬼針鋒相對的、生造出來的新名字：“大質(zhì)量致密暈輪天體”（massive compact halo object）。與膽小鬼不同，這個名字強調(diào)的不是“粒子”，而是“暈輪”，也就是猜測宇宙中可能有某種未知的天體分布在星系周圍，形成奧斯特里克和皮布爾斯發(fā)現(xiàn)的暈輪。它們才會是真正的暗物質(zhì)。
暗物質(zhì)究竟是膽小鬼還是猛男，抑或是另外一些應(yīng)景而生的新玩意，這成為20世紀末天文學(xué)家和物理學(xué)家面臨的新挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在他們不僅需要探索暗物質(zhì)是什么，還需要從頭開始重新審視整個宇宙理論，因為此前的宇宙模型都沒有包括暗物質(zhì)的貢獻、影響。
來源：程鶚 的博客
