我們所能看到的只是實際存在中的極小一部分?？茖W家正試著尋找那些我們看不到的東西：暗物質(zhì)和暗能量。過去人們常說，宇宙學家——就是那些將宇宙作為一個整體對其進行研究的科學家——“經(jīng)常犯錯卻從不迷茫”。
現(xiàn)如今，他們犯的錯少了，但他們的疑惑卻與日俱增，幾乎和我們這些外行一樣茫然了。
經(jīng)過10年的研究，運用最新最好的望遠鏡、探測器、計算機，宇宙學家現(xiàn)在已經(jīng)可以確定，宇宙創(chuàng)生于138.3億年以前，創(chuàng)生之初比一個原子還小。我們最初探測宇宙背景輻射的時候，微波輻射顯示宇宙只有37.8萬歲，相比于現(xiàn)在，這一測量的精度只有0.1%。
在推知宇宙年齡的同時，宇宙學家推斷，所有他們能看到的恒星、星系，其實只占宇宙總質(zhì)量的5%。那些隱匿的部分，27%是暗物質(zhì)，68%是暗能量。二者都非常神秘。暗能量被認為是導致宇宙膨脹的原因，同時也構(gòu)成宇宙大尺度特性——但是沒人能說清楚它到底是什么?，F(xiàn)在，暗能量一詞被用來表示一切加快宇宙膨脹速率的物質(zhì)，已經(jīng)變成我們用以稱呼“人類目前還不了解的宇宙大尺度特性的慣用標簽”了。
宇宙學家認識到，他們的處境恰恰如同1804年托馬斯·杰斐遜的處境。杰斐遜總統(tǒng)委派劉易斯和克拉克探索西部，臨行前他曾提醒遠征隊要小心長毛猛犸象：杰斐遜總統(tǒng)以及與他同時代的人已經(jīng)意識到，從密西西比河到太平洋沿岸的北美洲地域廣大而重要，但對于那里究竟生活著什么——猛犸象？華南虎？甚或袋鼠——他們只有一個模糊的概念。
影子般的暗物質(zhì)
最早的暗物質(zhì)普遍存在的跡象，是瑞士天文學家弗里茨·茲威基在20世紀30年代發(fā)現(xiàn)的。當時他供職于南加利福尼亞州威爾遜山天文臺，正在測量后發(fā)座星系團中星系的相對速度和平均速度，這一星系團距離地球3.21億光年。動力學計算的結(jié)果顯示，這個星系團應該早就從太空中消失了。然而事實是，后發(fā)座星系團已經(jīng)存在幾十億年了。據(jù)他推斷，這只能意味著，“宇宙中，暗物質(zhì)的密度要遠遠大于可見物質(zhì)的密度”。后續(xù)的研究表明，在宇宙的初創(chuàng)階段，如果沒有暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力將原始材料聚集在一起，星系永遠都不可能創(chuàng)生。
暗物質(zhì)并非比較不起眼的普通物質(zhì)，這樣解釋遠遠不夠。大量不可見物質(zhì)，甚至排除黑洞、矮星、冷氣體云以及被逐出出生之地的流浪行星這些暗淡的天體，它們的質(zhì)量加起來也5倍于那些可見的普通物質(zhì)質(zhì)量的總和。因此科學家認為，暗物質(zhì)肯定很奇異。理論物理學家在超對稱量子物理領域所做的工作，已經(jīng)魔法般地召喚出了許多種不可見物質(zhì)，它們中的一種甚至幾種，很有可能最終被證明就是暗物質(zhì)。但是目前，各項實驗的結(jié)果都不盡如人意，其中包括位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，其結(jié)果都否定了幾個版本的對稱性。理論學界的氛圍，如同理論學家自己常說的那樣，“一片灰暗”。相較于將其精確地定義為暗物質(zhì)，大多數(shù)科學家往往更愿意稱自己是在尋找弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）。
WIMP不與普通物質(zhì)相互作用，而是只在它們之間相互作用，這個猜想已經(jīng)被在子彈星系團中找到的證據(jù)證實。該星系團最初是由兩個原始星系團碰撞產(chǎn)生的，距地球30億光年。在美國航空航天局錢德拉X射線天文臺的幫助下，天文學家在子彈星系團中心發(fā)現(xiàn)了大量熱氣體，而熱氣體通常被認為是普通物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的。但當天文學家追蹤子彈星系團的引力場時，他們卻發(fā)現(xiàn)了兩個更為巨大的質(zhì)量中心，也就是碰撞產(chǎn)生子彈星系團的那兩個原始星系團，進一步說，這便是碰撞的中心。由此他們得出結(jié)論，雖然那兩個星系團的可見物質(zhì)結(jié)構(gòu)像兩列裝滿軍火的列車，壯烈地相撞并融合在了一起，但它們各自所載的暗物質(zhì)貨物，卻沒有參與這次慘烈的碰撞，也即沒有損失。
即使正如有些科學家預測的那樣，暗物質(zhì)粒子普遍地存在，成千上萬的暗物質(zhì)時時刻刻充斥在我們每個人的身邊。而且，目前運行著的暗物質(zhì)探測器，其科技水平之精妙簡直如同法貝熱彩蛋的藝術(shù)工藝。但暗物質(zhì)的超然狀態(tài)，還是讓想要切實捕捉到它的實驗者受到空前挑戰(zhàn)。
這些探測器中，有耗資20億美元的反物質(zhì)太空磁譜儀（AMS），它正在國際空間站中搜尋著星系中心暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。不過，大多數(shù)暗物質(zhì)探測器在地球上探測暗物質(zhì)粒子和普通粒子之間的相互作用。這些地球探測器被安置在地表以下極深處的地下實驗室，以盡量減少來自宇宙的高速正常物質(zhì)粒子的入侵，并且用冷卻晶體、液態(tài)疝或氬作為屏蔽材料，包裹探測器以隔絕輻射。天然礦石地層也是很好的屏蔽材料。（鉛礦石只有微量輻射，因此最近的兩項實驗都在鉛礦中進行。一項在明尼蘇達州的首丹鉛礦，另一項在意大利的拉奎拉，那里有古羅馬時代的鉛礦遺跡。由于歷史久遠，鉛礦石排放的輻射更少。）
美國的大型地下疝探測器（LUX）是同類探測器中最靈敏的一個，它被安置在南達科他州一處廢棄的鉛礦中，距地表近1500米。該探測器2013年開始運行，至今一無所獲;目前正在以更高的靈敏度繼續(xù)搜尋。迄今，雖然有的搜尋計劃找到一些影子般的線索，但仍沒能找到有關(guān)暗物質(zhì)的確切證據(jù)。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機在經(jīng)過一段時間的關(guān)機維修、升級后，于2015年按計劃恢復運行，升級后的大型強子對撞機能量得到提升，或許能產(chǎn)生幾個暗物質(zhì)粒子。但這種奇特的物質(zhì)難以估計，因為我們對它的了解實在太少?？傊?，這項任務不是懦夫能完成的。
比暗物質(zhì)更神秘的暗能量
或許，與暗能量的神秘相比，暗物質(zhì)之謎都會顯得寡淡無味。物理學家史蒂文·溫伯格稱暗能量為“物理學的核心問題”，天文學家邁克爾·特納認為它是“科學問題中最深奧、神秘的一個”。
1998年，兩個獨立研究的天文學家小組同時宣稱，根據(jù)觀測研究可以確知，宇宙膨脹正在不斷加速中。隨后，特納最先提出“暗能量”這個名詞。天文學家的上述結(jié)論，是通過觀察一類特定的恒星的爆炸而得出的。這類爆炸，必須要足夠亮，這樣我們才能從地球上觀測到它;此外亮度維持的時間也要相對較長，以便我們計算出該星系與地球間的距離。在星系中，引力扮演著剎車的作用，阻止宇宙膨脹。因為引力普遍存在，所以當時的天文學家認為宇宙膨脹的速度應該逐漸放緩。然而，他們發(fā)現(xiàn)恰恰相反：在過去的五六十億年間，宇宙膨脹一直在不斷加速。
今天，我們正在以空前的精度觀測宇宙，暗能量到底在何時出現(xiàn)，這種能量在強度上將一直維持不變還是會逐漸加強，這些問題都要到目前的觀測中去尋找答案。這種觀測還有一個優(yōu)點——能借此窺探過去：當我們研究一個距我們幾十億光年的星系時，我們看到的是它幾十億年前的樣子。當然，這也要受到望遠鏡、數(shù)字探測器的性能的限制。要想寫出更為精準的宇宙歷史，依舊需要更好的設備。
天文學家期盼的新設備已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了。比如在新墨西哥州阿帕奇天文臺，重子振動分光鏡勘測（BOSS）項目擁有一個直徑2.5米的望遠鏡，將以前所未有的精度探測宇宙距離。此外，在智利安第斯山脈，暗能量巡天（DES）項目使用布蘭科望遠鏡正在同時收集300多個星系的相關(guān)數(shù)據(jù)。歐空局的歐幾里得太空望遠鏡，按計劃將在2020年發(fā)射，計劃精確測量過去100億年間的宇宙動力學數(shù)據(jù)。我們對大口徑綜合巡天望遠鏡（LSST）項目的期望也很高，它目前正在智利中北部建設中，距布蘭科望遠鏡只有幾千米。它的主鏡直徑將達到8.4米，并配備有迄今最大的數(shù)碼相機，發(fā)射運行后，它將不間斷地對可觀測宇宙進行全天拍攝，圖像覆蓋整個南天。每個月它將完成10余次這樣的拍攝。
BOSS被譽為SDSS 的繼承者，它將選擇北半球天空中的一部分， 從銀河系最厚的部分進行觀測。
有了這些設備，宇宙學家希望能夠重建宇宙的歷史，通過直接測量宇宙膨脹速度，解釋暗能量的出現(xiàn)及其影響。這個問題的重要性，可能不亞于對宇宙未來的研究。如果我們身處其中的宇宙，將在不斷膨脹中逐漸被暗能量所主宰，大多數(shù)星系最終都將從彼此的視線中消失，那么未來的宇宙學家所能觀測到的星系，將寥寥無幾，只留下周邊幾個鄰居和一片漆黑的宇宙。
在不遠的將來，理解暗能量或許需要對我們以前所構(gòu)想出的宇宙觀念，進行根本性的改進。天體之間的空隙長久以來一直被認為是純粹空虛的，雖然艾薩克·牛頓曾經(jīng)說過，假如日地間的這段距離是完全空洞的，他無法想象地球居然能靠著引力繞太陽持續(xù)運行。
20世紀的量子場論，論證了空間并不“空”，而是充斥著量子場，量子場無處不在。常被描述成是構(gòu)建物質(zhì)的原料的質(zhì)子、電子以及其他粒子，它們本身就是量子場的激發(fā)態(tài)。當場接近最低能級時，空間看起來虛空。但當場重新受到激發(fā)，空間中就重新充斥著可見物質(zhì)及能量。數(shù)學家盧奇亞諾·波伊將空間比作阿爾卑斯山上一個池塘中的水：平靜時我們看不見它，但一陣微風拂過水面，我們就會發(fā)現(xiàn)它確實存在。“空間并不虛空，”美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒曾經(jīng)說，“這就是物理學最精彩也是最令人驚訝的地方?！?/p>
宇宙是如何膨脹的？為什么膨脹貌似越來越快？在過去的一個世紀里，物理學家對這些問題的理解主要依賴于愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論具有極強的解釋力，但在微觀層面上它失靈了。微觀世界受量子場論支配，人們也往往認為，宇宙加速膨脹的根本原因，能從量子場論中找到答案?；蛟S，我們需要一種新理論來解釋暗能量：空間和引力領域的量子理論。
目前，科學家面臨的尷尬是，他們并不知道空間中包含多少能量，無論是暗能量或是其他什么。量子理論家嘗試計算1升看似虛空的空間中包含有多少能量，得出一個很大的數(shù)字，而天文學家根據(jù)暗能量觀測得出的數(shù)字要小得多。這兩個結(jié)果間的差距大得驚人：10121——數(shù)字1后跟著121個0，這一數(shù)字甚至超過了我們觀測到的恒星的數(shù)量，以及地球上的沙粒的數(shù)量。這是整個科學史上，理論與觀測間出現(xiàn)過的最大的差值。顯然，還有某些東西對空間非常重要，但我們還沒找到它。因此，對空間中的一切物質(zhì)，包括星系、恒星、行星甚至是人類自身，都要進行更深入的了解。
不過，這個難解的謎題已經(jīng)向我們敞開發(fā)現(xiàn)的大門了。從某種程度上講，愛因斯坦的廣義相對論是在解決水星軌道的計算與探測間的微小差異的過程中提出的，量子物理學在某種意義上說起源于對熱輻射傳播方式的解密。那么，在解決我們今天面臨的有關(guān)暗物質(zhì)和暗能量的困惑的過程中，人類又將學到些什么呢？正如物理學家尼爾斯·玻爾所說：“沒有矛盾，就沒有進步?！?/p>
媒體來源：人民資訊
