如果外星人試圖從另一個(gè)平行宇宙訪問(wèn)我們的宇宙，他可能甚至不會(huì)注意到我們的存在。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，這是顯而易見(jiàn)的:宇宙太大了，地球只是一個(gè)微小的、淡藍(lán)色的點(diǎn)。但比這更糟糕的是，外星人可能會(huì)無(wú)視所有圍繞恒星運(yùn)行的恒星和行星，甚至可能對(duì)那些飄得太遠(yuǎn)的巨大塵埃云視而不見(jiàn)空。

然而，所有這些熟悉的東西只占宇宙物質(zhì)的一小部分。宇宙的其余部分是由其他一些“東西”組成的，這些東西以前從未見(jiàn)過(guò)。

物理學(xué)家稱這種“東西”為暗物質(zhì)。如果宇宙中沒(méi)有暗物質(zhì)，宇宙中的星系就會(huì)飛走。沒(méi)有人知道暗物質(zhì)是什么，但物理學(xué)家渴望追蹤它。

你在周?chē)吹降囊磺小獜哪愕纳眢w到你站立的星球和天空中的星星空——都是由原子組成的。所有這些原子都是由更小的粒子組成的，如質(zhì)子和中子，這些粒子中的許多可以進(jìn)一步分解。

茲維奇是個(gè)瘋狂的理論家。他把能觀察到的力都加起來(lái)，但還是不足以解釋事實(shí)。

20世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家開(kāi)始了解原子的組成時(shí)，我們似乎就要了解宇宙中所有物質(zhì)的本質(zhì)了。但是在1933年，一位名叫弗里茨·茲維基的瑞士天文學(xué)家提出，宇宙的絕大部分一定是由完全不同的東西組成的。他把他能在星系團(tuán)中觀察到的所有物質(zhì)的質(zhì)量加起來(lái)，發(fā)現(xiàn)這些質(zhì)量產(chǎn)生的引力強(qiáng)度不足以將星系聚集在一起。

“與此同時(shí)，Zwicky觀測(cè)到的星系正在‘轉(zhuǎn)得太快’，以至于以如此快的速度，它們應(yīng)該已經(jīng)把自己拋出去了，分布在宇宙的各個(gè)角落。”英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)的理查德梅西說(shuō):“宇宙中的每個(gè)星系就像一個(gè)旋轉(zhuǎn)木馬，上面的乘客都會(huì)被扔出去！”

Zwicky意識(shí)到宇宙中一定還有其他物質(zhì)，是他無(wú)法直接觀察到的，但有足夠強(qiáng)大的引力把星系聚在一起的東西。他把這種未知的物質(zhì)形式稱為“暗物質(zhì)”。

當(dāng)時(shí)他被認(rèn)為是怪人，他的理論沒(méi)有受到重視。直到20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家薇拉·魯賓發(fā)現(xiàn)我們附近星系的旋轉(zhuǎn)有問(wèn)題。

這些星系中一定有什么東西在起作用，阻止恒星飛離星系。

在我們的太陽(yáng)系里，有一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)律:行星離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)引力對(duì)它的影響就越弱。所以這個(gè)星球會(huì)運(yùn)行的比較慢，旋轉(zhuǎn)一次需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。同樣的規(guī)則也應(yīng)該適用于圍繞星系中心運(yùn)行的恒星:隨著引力減弱，離星系中心最遠(yuǎn)的恒星也應(yīng)該以最慢的速度運(yùn)動(dòng)。

但是，魯賓發(fā)現(xiàn)，離星系中心最遠(yuǎn)的那顆星，運(yùn)行速度和靠近星系中心的那顆星一樣快。魯賓認(rèn)為，一定有什么東西在這些星系中起作用，從而阻止這些恒星飛離星系。歸根結(jié)底，也就是說(shuō)，Zwicky走在了正確的道路上。

根據(jù)我們目前對(duì)宇宙的理解，天文學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)在宇宙的形成中起了根本性的作用。

幾乎從140億年前BIGBANG之后的那一刻起，宇宙開(kāi)始迅速膨脹，開(kāi)始形成星系團(tuán)。但是宇宙膨脹的速度并沒(méi)有快到所有星系都飛到宇宙的角落。這是因?yàn)椋滴镔|(zhì)雖然看不見(jiàn)摸不著，但是它把宇宙中的一切都集合到了一起。

從某種意義上說(shuō)，暗物質(zhì)就像風(fēng)一樣。我們不能直接看到它，但我們知道它在那里。更重要的是，宇宙中有大量的暗物質(zhì):約占整個(gè)宇宙的25%。有時(shí)人們說(shuō)宇宙中所有物質(zhì)的80%左右是暗物質(zhì)。那是因?yàn)橛钪嬷兄挥?0%是由物質(zhì)構(gòu)成的，其余都是能量。20世紀(jì)80年代，第一個(gè)暗物質(zhì)存在的確鑿證據(jù)出現(xiàn)了。

暗物質(zhì)是骨架，普通物質(zhì)掛在暗物質(zhì)的骨架上。

1981年，在哈佛大學(xué)，由馬克·戴維斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了最早的星系調(diào)查。他們意識(shí)到星系不是以統(tǒng)一的模式排列的，“它們不是像蛋糕表面的糖衣一樣均勻分布的”。

事實(shí)上，星系聚集成大星系團(tuán)，每個(gè)星系團(tuán)包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)星系。這些星團(tuán)形成了一個(gè)復(fù)雜的圖案，叫做“宇宙網(wǎng)絡(luò)”。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)被暗物質(zhì)捆綁在一起。

“換句話說(shuō)，暗物質(zhì)是骨架，而普通物質(zhì)掛在暗物質(zhì)的骨架上?！眲虼髮W(xué)的卡羅琳·克勞福德說(shuō):“我們知道暗物質(zhì)存在于宇宙的早期。將這些材料放在一起至關(guān)重要。只有這樣，宇宙才能繼續(xù)發(fā)展，成為我們今天看到的結(jié)構(gòu)?！?/p>

英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)的卡洛斯·弗朗哥說(shuō):“這些星團(tuán)的發(fā)現(xiàn)引起了轟動(dòng)?！彼?dāng)時(shí)的老板戴維斯給了他一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù):找出星系為什么是這樣排列的。

有這種熾熱暗物質(zhì)的宇宙與真實(shí)宇宙完全不同。

弗蘭克開(kāi)始這項(xiàng)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)有人聲稱解決了這個(gè)問(wèn)題。1980年，由V.A .盧比莫夫領(lǐng)導(dǎo)的俄羅斯研究小組提出了一個(gè)關(guān)于暗物質(zhì)的可能解釋，認(rèn)為暗物質(zhì)是由中微子組成的。

這是有些道理的。中微子是黑暗的幽靈粒子，幾乎不與其他物質(zhì)相互作用。研究人員認(rèn)為，所有中微子的質(zhì)量可能是宇宙中缺失的質(zhì)量。

但是這里有個(gè)問(wèn)題。中微子是熱暗物質(zhì)，也就是說(shuō)它們是輕的，所以可以快速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)弗蘭克試圖模擬一個(gè)充滿熾熱暗物質(zhì)的宇宙時(shí)，他發(fā)現(xiàn)它根本不起作用。

“令我們失望的是，我們發(fā)現(xiàn)含有這種熾熱暗物質(zhì)的宇宙與真實(shí)宇宙完全不同?！备ヌm克說(shuō):“有熱暗物質(zhì)的宇宙是相當(dāng)完美的，但它不是我們生活的宇宙。在那個(gè)宇宙中，應(yīng)該有一個(gè)巨大的超級(jí)星系團(tuán)，但這種情況在我們的宇宙中是不存在的?！?/p>

暗物質(zhì)一定是“冷”的，運(yùn)動(dòng)緩慢。下一步是找出這個(gè)冷暗物質(zhì)在哪里。

雖然我們不能直接看到它，但是暗物質(zhì)做的一件事就會(huì)暴露自己。它彎曲穿過(guò)它的光線。這與光線穿過(guò)游泳池或結(jié)霜的浴室窗戶時(shí)發(fā)生的情況類似。

這種效應(yīng)叫做引力透鏡效應(yīng)，可以用來(lái)計(jì)算暗物質(zhì)在哪里。利用這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們正在創(chuàng)建宇宙的暗物質(zhì)地圖。

當(dāng)然，目前的地圖太粗糙，無(wú)法顯示任何細(xì)節(jié)。在美國(guó)航空公司空 NASA加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室里，加里·普勞說(shuō):“就像說(shuō)你已經(jīng)對(duì)地球上的大陸有了基本的了解，現(xiàn)在真正感興趣的是這些大陸上的山脈和湖泊的形狀?！?/p>

然而，我們至少對(duì)暗物質(zhì)在哪里有一個(gè)大致的了解。然而，我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)是什么。

對(duì)此，人們提出了幾種觀點(diǎn)，其中最流行的一種是暗物質(zhì)是由一種新的粒子組成的，這種粒子可以用理論預(yù)測(cè)，但從未被觀測(cè)到。他們稱之為“弱相互作用的大質(zhì)量粒子”。

WIMP只是一個(gè)標(biāo)簽，它可能包含許多不同種類的粒子。

“對(duì)于我們生活的這個(gè)世界來(lái)說(shuō)，軟骨頭在各方面的作用都很弱?！敝Z丁漢大學(xué)的安妮·格林說(shuō):“首先，它們不會(huì)相互作用，更不會(huì)與普通物質(zhì)相互作用。當(dāng)你撞到墻上時(shí)，你的手會(huì)撞到墻上。但是當(dāng)一個(gè)軟骨頭和一面墻或者另一個(gè)軟骨頭相撞時(shí)，它通常會(huì)直接穿過(guò)對(duì)方。雖然它們的尺寸不一定大，但WIMP質(zhì)量很大，很可能是質(zhì)子質(zhì)量的幾百到幾千倍?！?/p>

問(wèn)題是我們不知道它到底有多重。

"弱粒子只是一個(gè)標(biāo)簽，它可能包含許多不同種類的粒子."梅西說(shuō):“更糟糕的是，他們來(lái)去無(wú)蹤，極難察覺(jué)。”

這時(shí)你可能會(huì)失望，你已經(jīng)開(kāi)始放下武器準(zhǔn)備投降了?！捌鸪?，他們認(rèn)定這種看不見(jiàn)摸不著的物質(zhì)在宇宙中到處都存在，但現(xiàn)在，他們認(rèn)定這種物質(zhì)是由某種無(wú)法探測(cè)到的新物質(zhì)構(gòu)成的！這簡(jiǎn)直可笑！”你不是第一個(gè)這么說(shuō)的人。

任何一個(gè)想創(chuàng)造新引力理論的人，一定比愛(ài)因斯坦強(qiáng)。

早在1983年，就有物理學(xué)家已經(jīng)提出所謂暗物質(zhì)根本不存在。相反，他們認(rèn)為萬(wàn)有引力定律一定是錯(cuò)的，這就是星系行為如此怪異的原因。這種觀點(diǎn)被稱為“修正牛頓動(dòng)力學(xué)”，英文縮寫(xiě)為MOND。

“我們正在解讀宇宙中的‘旋轉(zhuǎn)木馬’?！泵肺髡f(shuō):“在我們知道引力是如何工作的前提下，仔細(xì)觀察這些‘旋轉(zhuǎn)木馬’的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。可能我們曲解了萬(wàn)有引力定律，曲解了證據(jù)。”

問(wèn)題是MOND的支持者還沒(méi)有想出暗物質(zhì)的切實(shí)可行的替代方案，他們的觀點(diǎn)無(wú)法解釋已知的觀測(cè)數(shù)據(jù)?！叭魏蜗雱?chuàng)造新的引力理論的人，一定比愛(ài)因斯坦強(qiáng)。他必須能夠解釋愛(ài)因斯坦解釋過(guò)的所有現(xiàn)象，解釋暗物質(zhì)?！?/p>

早在2006年，美國(guó)航空公司空 NASA就發(fā)布了一張宏偉的圖片。對(duì)于很多研究者來(lái)說(shuō)，這張圖片的發(fā)布完全宣告了MOND的失敗。

這是一張顯示兩個(gè)巨大星系團(tuán)碰撞場(chǎng)景的圖像。既然大部分物質(zhì)明顯集中在中心區(qū)域，我們可以推測(cè)是重力最集中的區(qū)域。

有三種方法可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)

但是在它的邊緣區(qū)域，光線也在重力的作用下彎曲。這意味著那里有另一種形式的物質(zhì)。

如果這是正確的，那么我們回到問(wèn)題開(kāi)始的地方。我們的挑戰(zhàn)是在不知道我們?cè)趯ふ沂裁吹那闆r下找到暗物質(zhì)。

這聽(tīng)起來(lái)比大海撈針還要糟糕，但事實(shí)上，有三種方法可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。

第一種方法是觀察宇宙中暗物質(zhì)的活動(dòng)。利用現(xiàn)有的宇宙暗物質(zhì)地圖來(lái)監(jiān)測(cè)其行為，天文學(xué)家可能能夠檢測(cè)到意外的暗物質(zhì)碰撞。

暗物質(zhì)通常直接穿過(guò)正常物質(zhì)，它們之間沒(méi)有任何相互作用。然而，由于它們的數(shù)量巨大，暗物質(zhì)在非常偶然的情況下會(huì)“踢”原子，導(dǎo)致它們像臺(tái)球一樣反沖。這次碰撞應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生伽馬射線——能量極高的射線。"在這種極其罕見(jiàn)的情況下，暗物質(zhì)也能發(fā)光."弗蘭克說(shuō)。

格林說(shuō)，他們已經(jīng)進(jìn)行了一些探測(cè)實(shí)驗(yàn)，正在努力尋找這樣的核反沖事件。

2014年，利用美國(guó)宇航局強(qiáng)大的費(fèi)米空望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)，研究人員聲稱他們檢測(cè)到了這種撞擊事件產(chǎn)生的伽馬射線。他們發(fā)現(xiàn)銀河系的某個(gè)區(qū)域似乎有伽馬射線爆發(fā)，其來(lái)源可能是暗物質(zhì)。

爆發(fā)模式與理論模型一致，但科學(xué)家仍然困惑它們是否真的源于暗物質(zhì)，因?yàn)槊}沖星或恒星在死亡時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相同的伽馬射線。

暗物質(zhì)偶爾會(huì)相互碰撞，也有觀測(cè)的方法。

梅西所在的團(tuán)正在監(jiān)測(cè)一些最近發(fā)生過(guò)劇烈碰撞的星系。他們預(yù)計(jì)這些星系中的所有暗物質(zhì)將直接穿過(guò)彼此。出乎意料的是，一些暗物質(zhì)似乎已經(jīng)減速，落在了它們的星系后面。

這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明這些暗物質(zhì)是相互作用的?！叭绻沁@樣，那么這將是我們獲得的第一個(gè)證據(jù)，證明暗物質(zhì)與外界有如此微小的相互作用。”梅西說(shuō)。

但以上兩種方法都有一個(gè)重大缺陷:你無(wú)法捕捉到星系大小的暗物質(zhì)云，并在顯微鏡下仔細(xì)觀察。它們太大，離我們太遠(yuǎn)。

因此，第二種探測(cè)暗物質(zhì)的方法可能是創(chuàng)造暗物質(zhì)。

即使大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)確實(shí)產(chǎn)生了一些暗物質(zhì)，探測(cè)器實(shí)際上也未必能探測(cè)到。

物理學(xué)家希望使用強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，比如瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，可以做到這一點(diǎn)。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以使質(zhì)子以接近光速的速度相互碰撞。這種碰撞產(chǎn)生的能量將足夠強(qiáng)大，足以將質(zhì)子打碎并分裂成質(zhì)子成分。因此，利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，我們可以研究這些亞原子碎片。

倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院的馬爾科姆·費(fèi)爾貝恩(Malcolm fairbairn)說(shuō)，在如此強(qiáng)大的碰撞中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新粒子，如弱能粒子(WIMP)。

他說(shuō):“如果暗物質(zhì)確實(shí)是由WIMP組成的，而我們?cè)诖笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)粒子，那么我們大概就知道宇宙中的暗物質(zhì)是由什么組成的了?！?/p>

但如果暗物質(zhì)不像理論上預(yù)測(cè)的WIMP那樣，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就無(wú)法探測(cè)到。

在這里，還有一個(gè)問(wèn)題:即使大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)確實(shí)產(chǎn)生了一些暗物質(zhì)，但實(shí)際上探測(cè)器未必能探測(cè)到。

“實(shí)際情況可能是這樣的:系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)一組粒子朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)有朝另一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)?！辟M(fèi)爾貝恩說(shuō)，“發(fā)生這種情況的可能性只有一個(gè)，那就是向另一個(gè)方向移動(dòng)是探測(cè)器探測(cè)不到的，很可能是暗物質(zhì)粒子?！?/p>

如果這個(gè)方法也失敗了，物理學(xué)家還有第三個(gè)選擇:深入地下。

在一些古老的廢棄礦山和深山里，科學(xué)家們正在等待著有一天，WIMP與普通物質(zhì)發(fā)生碰撞，就像費(fèi)米空望遠(yuǎn)鏡在Tai 空深度觀測(cè)到的那種碰撞一樣。

每秒鐘，數(shù)十億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過(guò)我們的身體。"它們?cè)谀愕霓k公室，你的房間，任何地方."弗蘭克說(shuō):“每秒鐘有數(shù)十億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過(guò)你的身體，但你卻沒(méi)有意識(shí)到?！?/p>

理論上，我們應(yīng)該能夠監(jiān)測(cè)這些撞擊產(chǎn)生的伽馬射線閃光。但問(wèn)題是還有很多其他的東西通過(guò)你的身體，包括宇宙射線，會(huì)淹沒(méi)暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號(hào)。

所以人們想到了地下實(shí)驗(yàn)，利用厚厚的巖層阻擋大部分宇宙射線，因?yàn)榘滴镔|(zhì)粒子可以穿過(guò)巖層。

但到目前為止，我們還沒(méi)有找到令人信服的信號(hào)。意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的XENON100探測(cè)器還是一無(wú)是處。

之前有過(guò)幾次誤報(bào)。幾年前，一個(gè)研究小組聲稱他們的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)探測(cè)到了暗物質(zhì)，但大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)的不是WIMP。

這是一個(gè)恥辱的專欄，總是提醒我們要真正理解我們的宇宙還有多遠(yuǎn)。

“最后，我們必須用不止一種方法來(lái)觀察暗物質(zhì)。只有這樣，我們才能確認(rèn)實(shí)驗(yàn)室觀察到的粒子和星系中的暗物質(zhì)是一樣的?！辟M(fèi)爾貝恩說(shuō)。

目前我們對(duì)宇宙的大部分還一無(wú)所知，也不知道這種情況會(huì)持續(xù)多久。

包括弗蘭克在內(nèi)的一些宇宙學(xué)家相信，我們可以在未來(lái)10年內(nèi)找到答案。而其他宇宙學(xué)家，如格林，似乎對(duì)此缺乏信心。她認(rèn)為，如果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在不久的將來(lái)找不到東西，可能意味著我們?cè)谕e(cuò)誤的方向看。

現(xiàn)在，Zwicky第一次提出暗物質(zhì)的存在已經(jīng)有80多年了。我們?nèi)匀粵](méi)有暗物質(zhì)的樣本，我們甚至不能知道它們是什么。這是一個(gè)恥辱的專欄，總是提醒我們要真正理解我們的宇宙還有多遠(yuǎn)。我們可能知道各種各樣的事情，從宇宙的開(kāi)始到地球上生命的進(jìn)化。但是我們宇宙的秘密仍然需要被揭示。