暗物質到底發現得了嗎？

對於大部分天文學家來說，暗物質其實和恆星、行星一樣，是一種可供觸摸的東西。我們照例能夠繪製它們的分布圖。我們想像星系是由暗物質和少量可見物質構成的團塊。我們可以在暗物質的語義環境下，理解宇宙結構的形成，以及宇宙作為一個整體的演化方式。但是多年以來，許多手法老道的搜尋行動都以失敗告終，無法直接檢測到這種物質。我們看到了它的影子，但仍然對宇宙的黑暗面一無所知。

暗物質當然不是常規物體或粒子——這種可能性在很久以前就已經被我們排除。理論預測傾向於認為這是一種新奇的粒子，它只能和常規物質發生弱的相互作用。不計其數的這些粒子，可能無時無刻不在穿越我們的行星，按理說它們總會留下一點蛛絲螞跡。物理學家在低溫容器中裝滿生長晶體，把它們深埋在地底，剔除普通粒子，尋找是否有某種我們從未見過的東西在那裡經過並留下微小的脈衝熱信號和閃光。結果並不令人鼓舞。人們在美國南達科他州一座廢棄的金礦里安裝了所謂的LUX實驗裝置，結果一無所獲。在地底2.4千米深處進行的中國熊貓計劃（PandaX）一無所獲。在法國阿爾卑斯山附近1.7千米地底隧道中進行的EDELWEISS實驗也一無所獲。隨著時間的推移，這個一無所獲的名單還在不斷加長。

零成果迅速地收縮了暗物質可能存在的空間。由於數據的缺乏，理論物理學家提出的新設想不免顯得更加古怪、離奇，這些新方案中的大部分更加難以檢測。有人期待我們可以用粒子加速器來製造暗物質粒子，這樣我們就可以通過檢測是否有能量在粒子對撞中損失，來推斷暗物質的存在。但是到目前為止什麼也沒有發現。部分理論家猜想暗物質根本不存在，是引力理論——愛因斯坦的廣義相對論——把我們帶入了歧途。廣義相對論告訴我們，假如沒有一種看不見的物質維繫，星系就會瓦解，也許這個理論是錯的。但是事實證明廣義相對論能夠通過其它觀測結果的檢驗，其競爭對手看上去也都有致命缺陷。

百分之八十五的物質是看不見的。而最讓人感到恐懼的是，這種情況還會一直延續下去。

雖然大部分實驗讓人失望，但仍有兩個自稱有所發現。它們都高度可疑。這些門外漢可能犯了錯，不過卻值得一提。至少它們證明，要通過對宇宙的一知半解來尋找暗物質是多麼困難。

人們在義大利北部山區地底1.4千米深的一條隧道里安裝了所謂的DAMA/LIBRA粒子感測器，試圖尋找分散在碘化鈉晶體原子核周圍由暗物質粒子產生的閃光。人們收集了13年的數據，從中發現了一些非常奇怪的東西。人們發現數據曲線會發生季節性波動，每年六月達到最高值，十二月跌入最低值。

我們看到了它的影子，但仍然對宇宙的黑暗面一無所知。

這種表現恰好符合我們對暗物質的預期。人們認為暗物質會在銀河系周圍形成一個巨大的暈。從中穿越的行星和這個暈的相對速度會發生周期性變化，因為行星會圍繞太陽運行。地球和這個暈的相對速度會在每年六月達到最高點，十二月達到最低點。因此感測器獲得的數據中也會出現周期性的波動。

DAMA動用了足夠多的數據來進行這種統計，它所發現這種周期性變化無可否認是存在的。但其它粒子產生源或機制也會導致數據中出現類似波動，例如地下水的流動會影響到輻射的背景基準，又比如大氣層中的μ介子。全球其它五個實驗裝置聲稱他們獲得的數值極限和DAMA公布的不符。不過最信得過的方法是把相同的感測器安裝在不同地點，這一工作現在已經開始實施。其中一台感測器會被安裝在南極。在那裡，季節產生的效應和在義大利極為不同。

第二個有趣的暗物質跡象來自間接實驗，這樣的實驗並非是尋找這些粒子本身，而是尋找它們互相碰撞湮滅後產生的所謂「二手」粒子。2008年，一顆名為PAMELA（正反物質探索和輕核天體物理學載荷）的義大利-俄羅斯合作衛星觀測到來自深空的正子——也就是反電子的數量超出預期。最近該觀測結果又被國際空間站上的阿爾法磁光譜儀證實。與此同時，費米衛星報告說在銀河系中心方向觀測到一團模糊的伽瑪射線光暈——而這正是人們心目中暗物質應該具有的形態：它以星系核為中心呈球狀對稱，且中心密度要高於四周。

這些觀測成果好得讓人不敢相信。不幸的是，無論是正子，還是伽瑪射線都可以用急速旋轉的中子星，也就是所謂的毫秒脈衝星來解釋。正子的結果和暗物質候選者的特徵不匹配。要弄明白這些事，我們需要核實這些正子是否來自已知的中子星。伽瑪射線中出現的波動更像來自銀河中心附近那些弱的、未被解析出來的大量脈衝信號源。要想知道伽瑪射線是否來自暗物質，天文學家必須對鄰近的小型矮星系進行檢測，尋找類似信號。因為這些矮星系所含的暗物質比例要比銀河系高。但人們並沒有找到這樣的信號。

人們致力於尋找的目標大多是那種最為簡單的候選粒子，也就是所謂的「弱相互作用大質量粒子」。「弱」在這裡有雙重含義：一是指它們的相互作用非常弱，二是指它們的相互作用是通過所謂的弱核力進行的。這樣的粒子是粒子物理學中標準模型的自然延伸。即便對細節一無所知，「弱」這個形容詞所透露出的信息也足以讓我們對有多少這樣的粒子擴散在宇宙中進行計算。在大爆炸產生的熾熱原初湯時期，粒子是自然而然被製造出來和消滅的。隨著宇宙的膨脹，溫度開始下跌，於是各種質量、各種類型的粒子一個個出現了。這些粒子依然是可以被消滅的，它們被消滅的難易程度取決於它們相互作用的強度。這種情況會一直持續到它們由於過於分散而無法再互相接觸為止。

如果我們知道了這些弱相互作用大質量粒子相互作用的強度，那麼我們就可以算出，在早期宇宙這口大鍋里，曾經製造出足夠多的暗物質。這些暗物質多到能夠被直接觀測到，構成它們的粒子至少要比質子重數百倍。總而言之，在宇宙的早期，曾經出現過一段物理學家夢寐以求的時期，出現過「弱相互作用大質量粒子的奇蹟」。

美麗的假說常常會被醜陋的現實擊毀，而這可能就是其中一例。物理學家因此更加熱切地渴望，探索另一種遙遠的可能。

我們現在的境遇是所有科學家都夢寐以求的。原有的觀點不再有效；新的觀點需要被提出。

也許暗物質粒子的質量極為巨大。有一個基本事實，粒子的質量越大，構成等量物質所需的粒子數就越少。因此它們可能只是數量實在過於稀少，以致於我們的感測器很難撞見。物理學家可能需要尋求某種完全不同的策略，這種策略可能會涉及到古老的中子星等天體會對這些粒子產生什麼樣的效應。

另一方面，暗物質粒子也有可能質量太小，以致於無法在我們的感測器上留下印記。要尋找它們，物理學家可能需要利用大自然賜予我們的一個巨型感測器：太陽。太陽在銀河系的暗物質雲中穿行時會持續地掃過暗物質粒子。這些暗物質粒子會被太陽內部的質子散射並改變太陽的溫度特徵。而這會影響到太陽外層湍流氣體的上升、下降和迴旋。我們可以利用日震學原理，來研究存在於太陽內部的擾動，及其在太陽表面呈現出來的結果，就像我們通過地震學來研究地球一樣。事實證明，太陽的震動的確存在著某種不符合標準太陽模型的異常。

假如暗物質粒子能夠在太陽內部堆積，那麼它們也會在太陽的內部發生湮滅。這會導致太陽產生高能中微子。這些中微子能夠被諸如日本Super-Kamiokande和南極IceCube觀測站這樣的感測器感知到。但到目前為止還沒有任何候選事件被發現。

超輕粒子的最極端類型是所謂的軸子，這是一種假想中的弱相互作用粒子，其質量只有質子的萬億分之一甚至可能更小。它可能並非完全不可見，它會和電磁力發生作用，並在強電磁場腔內產生微波光子。致力於尋找軸子的實驗從1980年代就已經開始，但收穫甚微。

也許暗物質粒子甚至都不是一種粒子，而是「非粒子」。非粒子是那些能量不由離散包構成的電磁場的遠親。它們會在對撞數據中留下間接蹤跡。也許暗物質的身份並不只有一種。畢竟，常規物質也是由那麼多種不同的粒子構成的。暗物質可能是由多種粒子混合構成的。如果我們只著眼於一種，那麼其蹤跡就會被稀釋，搜尋工作自然也十分艱難。也許暗物質之間根本不會發生除了引力之外的相互作用，而這必然成為實驗者的夢魘。

從某種意義上來說，我們現在的境遇是所有科學家都夢寐以求的。原有的觀點不再有效；新的觀點需要被提出。新的觀點可能來自對新奇粒子的探索，也可能來自一種能夠把暗物質現象包含在內的新引力理論。

但人們總是擔心，大自然會不會把物理新知放在了我們找不到的地方。雖然我們用來尋找暗物質粒子的方法還未耗盡，但我們能做的實驗也只有那麼多。當感測器對暗物質的敏感性變得越來越高時，它們對垃圾粒子的敏感性也在提高，而它們並不總能把二者加以區別。以當前的敏感性提升速度，十年之內，它們就無法識別檢測到的中微子是來自太陽，還是來自宇宙射線對地球大氣的轟擊了。

太陽有一顆黑暗的心。太陽是一台自然暗物質感測器。其掃過的任何暗物質都有可能影響它的內部結構，而這種變化可以通過監測太陽表面的振蕩發現。圖中，太陽表面正在遠離我們的區域以紅色表示，正在靠近我們的區域以藍色表示。AURA / NSO / 美國國家科學基金會

但我們仍然可以追求暗物質檢測的非直接意義。最有希望的努力，是智利和迦納利群島共建的、由100多個望遠鏡組合而成的切倫科夫望遠鏡陣列。這個望遠鏡陣列將參與到人類在銀河系及其它星系尋找因暗物質湮滅而產生的伽瑪射線行動中來。但該舉措最終也會遇到另一個問題：成本。目前，暗物質檢測屬於主流物理實驗中最經濟的一種，但假如我們不斷地增加它們的大小，提升它們的敏感度和複雜程度，它們的造價就會變得像大型強子對撞機（70億美元）和韋伯太空望遠鏡（80億美元）那樣巨大，而且還無法擔保一定成功——這對政客來說可不是一樁好買賣。

尋找暗物質最有力的武器是新型粒子對撞機。物理學家打算在三十年內建造一台威力比大型強子對撞機高七倍的新對撞機。中國和歐洲在這方面都已經開始行動。即便只是大型強子對撞機的簡單放大，以今天的物價計算，其造價也高達250億美元。如果進行跨國合作和分期實施，理論上它是行得通的。但它也有可能會遇到極限。即便物理學家擁有無限的資源，也並不是對撞機造得越大，我們的收穫就會越多。用這種方法尋找的未知粒子還必須擁有足夠大的質量，且它們的產生方式必須和那些較輕粒子的產生方式相同，然而誰也不能保證宇宙大爆炸製造出了足夠多的這類粒子。

就算這樣賣力，我們也可能一無所獲。這樣的前景是灰暗的。也許根本不存在暗物質。我們仍在廣義相對論中尋找錯誤。但到目前為止我們還沒有找到。恰恰相反，2016年我們通過引力波發現了一對併合的黑洞。這讓愛因斯坦的理論更加令人信服——與此同時讓我們更加堅信暗物質的存在。

還是讓我們看看宇宙光明的一面。如果我們不搜尋，我們就發現不了和大自然黑暗面有關的大量秘密和啟示。我們仍在尋找這些粒子，我們接下去所能做的，也只有擼起袖子，加油干。

原作 Joseph Silk / 編譯 老孫