披著隱身衣的宇宙幽靈

○席金合

如果問宇宙中有哪些東西，恐怕很多人會回答：天上的日月星辰，地上的江河湖海，還有我們周圍的各種草木生靈……其實(shí)，這種“眼見為實(shí)”的想法，不完全正確。殊不知，在廣闊的宇宙空間，還有大量我們看不見、摸不著的神秘物質(zhì)。它們的家族十分龐大，與暗能量一起，占整個(gè)宇宙構(gòu)成的95%以上。這就是被人們稱為“披著隱身衣的宇宙幽靈”的暗物質(zhì)。由此看來，我們?nèi)祟悓τ钪娴恼J(rèn)識，還極其有限。

星系把質(zhì)量弄丟了？

我們知道，星體的運(yùn)行速度與受到的引力大小有關(guān)，而引力的大小，與星體和吸引它的天體的質(zhì)量以及二者之間的距離有關(guān)。在太陽系中，離太陽越遠(yuǎn)的行星，受到的引力越小，繞太陽公轉(zhuǎn)的速度也越慢。比如，離太陽最近的水星公轉(zhuǎn)的速度約為48 千米/秒，而海王星的公轉(zhuǎn)速度僅約5 千米/秒。

科學(xué)家推斷，星系中的恒星，應(yīng)該也遵循這樣的規(guī)律：距星系中心越遠(yuǎn)的恒星，圍繞中心運(yùn)轉(zhuǎn)的速度也較慢。然而，讓人感到意外的是，上世紀(jì)70 年代，美國天文學(xué)家薇拉·魯賓通過觀測仙女座星系發(fā)現(xiàn)，星系中遠(yuǎn)近不同的恒星，運(yùn)轉(zhuǎn)速度竟然不相上下，并不是離星系中心越遠(yuǎn)，運(yùn)行就越慢。那么，是什么為星系邊緣的恒星提供了額外引力，保證了它們較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度呢？

宇宙中暗物質(zhì)的占比

恒星旋轉(zhuǎn)速度與到星系中心距離關(guān)系圖像

薇拉·魯賓

由于距離是恒定的，我們只能從質(zhì)量方面找原因：究竟是星系中心還有未發(fā)現(xiàn)的更大天體，還是處在星系外圍的恒星自身質(zhì)量很大？然而，科學(xué)家通過精確測算發(fā)現(xiàn)，并不存在上面懷疑的情況。奇怪！難道仙女座星系把一部分質(zhì)量給弄丟了？后來，薇拉·魯賓大膽推測，星系中存在大量暗物質(zhì)，為恒星高速運(yùn)轉(zhuǎn)提供了足夠的引力。

此后，許多天文學(xué)家又運(yùn)用多種手段，進(jìn)行了一系列復(fù)雜的探測和研究，一致認(rèn)為宇宙中的總質(zhì)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所有已知天體的質(zhì)量，其中多出的部分，由暗物質(zhì)提供，這進(jìn)一步證明了暗物質(zhì)的存在。因此，不但星系的質(zhì)量沒有缺失，而且暗物質(zhì)也高度穩(wěn)定，自宇宙誕生之初就已存在，總量一直保持恒定。

不難想象，如果沒有暗物質(zhì)，或者它在宇宙中的占比不斷變化，那么所有天體就會失去恒定的引力，從而到處亂竄亂碰，成為一盤散沙。這樣一來，包括太陽在內(nèi)的所有恒星，乃至我們居住的地球，不知已經(jīng)毀滅了多少次，人類也早已不在這個(gè)世界上了。所以，暗物質(zhì)是星系的“黏合劑”。正是由于它參與了引力作用，才使得所有星系得以形成，并維系著所有天體，使其有條不紊地晝夜運(yùn)行。也正是因?yàn)檫@樣，才使得我們頭頂?shù)男浅酱蠛＃悄菢雍椭C、穩(wěn)定和壯觀。

“穿墻術(shù)”不再是神話

暗物質(zhì)雖然是宇宙的主要組成部分，但它不同于人類目前發(fā)現(xiàn)的任何物質(zhì)。它究竟是何物？有什么特點(diǎn)呢？由于目前人們還沒有直接觀測到它，難以揭開其“廬山真面目”。不過，科學(xué)家根據(jù)它無法讓人看見、難以探測、有質(zhì)量、可產(chǎn)生引力的特征，提出了假設(shè)：暗物質(zhì)不會向外輻射電磁波，也就是不發(fā)光和不釋放射線。并且，構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子，與中微子極為相似。

大家知道，中微子與夸克一樣，是目前所知的構(gòu)成這個(gè)世界的最小粒子。它不帶電，質(zhì)量甚至小于電子的百萬分之一，以接近光的速度運(yùn)動，與光子、電子、質(zhì)子等常見的基本粒子間，產(chǎn)生的引力或斥力極其微弱，幾乎不發(fā)生相互作用。因此，中微子的穿透力極強(qiáng)，能從地球的中心穿越而過，如同光線通過玻璃一樣。

如果暗物質(zhì)粒子也是這樣的話，正如西湖大學(xué)校長、結(jié)構(gòu)生物學(xué)家施一公在一次學(xué)術(shù)演講時(shí)所說：人的身體眨眼間會有成噸暗物質(zhì)穿過，而人卻感覺不到。這類似于古典神話小說中的情景：一個(gè)功法高超的道人，讓自己的弟子將頭對準(zhǔn)一堵高墻，他大喊“鉆過去”，結(jié)果弟子真的瞬間站在了墻那邊，而人和墻都安然無恙。以常理看，這完全不可能，非得碰個(gè)頭破血流不可！但試想，假若人或墻的一方是暗物質(zhì)，“穿墻術(shù)”就不再是神話。

中微子

須知，兩個(gè)物體不能互相穿越的原因，并非二者都是實(shí)心，而是互相之間的排斥力極大，被“阻擋”住了。實(shí)際上，從微觀上看，所有的物體都非常空虛，內(nèi)部粒子間的空隙要比粒子本身大得多，互相之所以不能滲透通過，主要是構(gòu)成它們的粒子之間有很強(qiáng)的排斥作用。而暗物質(zhì)則不同，它與其他物質(zhì)的粒子間，幾乎沒有排斥力。這就使“穿墻術(shù)”成為可能。

央視《走近科學(xué)》欄目曾播放：1994 年7 月16 日，家住黑龍江省五常市鳳凰山下的農(nóng)民孟照國，晚上準(zhǔn)備睡覺，突然看到一個(gè)將近3 米高的“外星人”穿墻而入，又拉著他穿墻而出，進(jìn)入停在山坡上的一個(gè)“飛碟”里。他恍惚之中，聽“外星人”說，他們來自銀河系外一個(gè)遙遠(yuǎn)的星球，這次來地球是為了躲避星體相撞災(zāi)難……

此事驚動黑龍江科委，專家調(diào)查后認(rèn)為，孟照國產(chǎn)生了幻覺，是在無意識地說謊。而著名UFO 研究者張靖平通過心理測試，認(rèn)為孟照國沒有說謊。這事一時(shí)眾說紛紜。但它能引發(fā)我們暢想：假如真有高智慧的外星文明個(gè)體，它們有可能把暗物質(zhì)特性遷移到自己身上，以便在星際旅行中穿過一切障礙物。

設(shè)法捕捉宇宙幽靈

暗物質(zhì)除了對天體產(chǎn)生引力外，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，總是悄無聲息地在宇宙中獨(dú)自穿行，就像神秘的幽靈一樣，很難捕捉。所以，我們不能像對待其他天體那樣，直接觀察和探測它。但是，我們可以通過暗物質(zhì)對普通物質(zhì)產(chǎn)生的影響，間接地觀測它。這就好比我們看不見風(fēng)，卻能通過旗幟飄動來感知風(fēng)的存在。目前，科學(xué)家探測暗物質(zhì)的方法主要有以下幾種：

引力透鏡法：眾所周知，天體質(zhì)量越大，產(chǎn)生的引力就越大，則光線從它附近經(jīng)過時(shí)，會受到吸引而發(fā)生彎曲，就如同透鏡能使光線彎曲一樣，這就是引力透鏡效應(yīng)。據(jù)此，只要發(fā)現(xiàn)光線經(jīng)過虛空的區(qū)域而彎曲了，就表明那里存在暗物質(zhì)。

地下接收法：由于暗物質(zhì)穿透力極強(qiáng)，因此可在千米深的坑洞建立實(shí)驗(yàn)室，借助厚厚的巖層，隔絕來自宇宙的一切射線干擾，讓穿入地下的暗物質(zhì)，打在靈敏儀器的接收屏上，產(chǎn)生微弱的信號，以期觀察到它。目前，全球有十幾個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)室。在我國四川錦屏山下，建有世界上隔絕性最好的地下實(shí)驗(yàn)室。可是，人類用這種方法探索了30 多年，一直沒能捕捉到暗物質(zhì)信號。

引力透鏡原理示意圖

白霧狀區(qū)域是用引力透鏡法測出的暗物質(zhì)分布區(qū)

年輕的彭新華教授

太空收集法：宇宙空間的暗物質(zhì)，在相互碰撞湮滅時(shí)，會產(chǎn)生我們熟知的電子、質(zhì)子、中子、光子等粒子流。據(jù)此，可利用衛(wèi)星和空間站搭載的儀器，收集這些粒子流的信號，證明暗物質(zhì)的存在。2015 年，我國發(fā)射的“悟空”號衛(wèi)星，就是一顆探測暗物質(zhì)粒子的衛(wèi)星，也是我國的第一顆天文衛(wèi)星。

對撞實(shí)驗(yàn)法：高能粒子發(fā)生對撞時(shí)，可能產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子或其他新的粒子。如果對撞產(chǎn)生了這些粒子，雖然儀器難以直接檢測，但能探測到對撞產(chǎn)生的總能量缺失現(xiàn)象，這是不可見新粒子產(chǎn)生時(shí)的顯著特征。再結(jié)合其他手段，就能確定這些新粒子是否為暗物質(zhì)粒子。

磁場測量法：理論預(yù)測，暗物質(zhì)與原子核會發(fā)生極微弱的相互作用，這種相互作用相當(dāng)于在原子核自旋上施加一個(gè)微小磁場——“贗磁場”。利用超靈敏磁場探測裝置可以檢驗(yàn)這一微小的“贗磁場”，以此來尋找暗物質(zhì)粒子存在的跡象。據(jù)報(bào)道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭新華教授研究組與德國科學(xué)家合作開發(fā)出一種新型超靈敏量子精密測量技術(shù)，通過放大暗物質(zhì)產(chǎn)生的“贗磁場”，并提高原子磁力計(jì)的磁探測靈敏度，從而大大提高了暗物質(zhì)的搜尋靈敏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比先前的國際最好水平提升至少5個(gè)數(shù)量級。

總之，暗物質(zhì)究竟是啥東西？真的存在嗎？對此，目前全世界的科學(xué)家還沒有確切結(jié)論。現(xiàn)有的一知半解，只是科學(xué)家的慎重猜想和嚴(yán)謹(jǐn)推斷。那么，探測暗物質(zhì)到底有什么用呢？豈不知，人類在18 世紀(jì)探究電為何物時(shí)，也不能料到今天電的運(yùn)用無處不在，并在推動經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展方面具有不可替代的作用。何況，暗物質(zhì)可能關(guān)乎宇宙的最初奧秘，并決定著宇宙的未來命運(yùn)。我們相信，隨著科學(xué)家的接續(xù)努力和探測手段的日益先進(jìn)，在不久的將來，人類必定能揭開蒙在暗物質(zhì)頭上的神秘面紗，看到它的真容！