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(fèi)的公益演唱會(huì)，現(xiàn)場有多達(dá)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(gè)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(gè)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?yàn)樗话l(fā)光，我們無法看見它。在茲威基的時(shí)代，借助望遠(yuǎn)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(shí)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?yàn)樗鼈兎瓷涮柟?。同時(shí)，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(yuǎn)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?yàn)榘滴镔|(zhì)遮天蔽日而看不到遠(yuǎn)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(gè)名字并不貼切。它不是因?yàn)槲樟送鈦淼墓舛@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(yuǎn)方的星系，對星系與地球之間的暗物質(zhì)都是視而不見。
當(dāng)愛丁頓第一次聽到量子力學(xué)中詭異的“測不準(zhǔn)原理”（uncertainty principle）時(shí)，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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，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(gè)本不該有的電子，而且那個(gè)過程中似乎能量、動(dòng)量、角動(dòng)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(gè)未被覺察的“幽靈”粒子偷偷地帶走了剩余的能量、動(dòng)量和角動(dòng)量。因?yàn)槟橇Ｗ硬粠щ姡?dāng)時(shí)把它命名為“中子”（neutron）。
無獨(dú)有偶，物理學(xué)家在原子核碰撞試驗(yàn)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(jiǎng)。
中子的發(fā)現(xiàn)是核物理研究的一個(gè)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(gè)中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子的過程，同時(shí)釋放出一個(gè)電子，外加泡利假想的粒子。但那個(gè)幽靈不是中子，因?yàn)樗馁|(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(dāng)時(shí)對它的存在與否依然是個(gè)謎。
中微子不參與電磁作用，它在離開原子核后會(huì)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(gè)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(shí)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(gè)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(jì)做實(shí)驗(yàn)，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(gè)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(shí)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(shí)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(dāng)時(shí)的理論推測，這樣的物理過程會(huì)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(shí)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(rèn)：“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(gè)永遠(yuǎn)不可能被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的東西！”巴德卻頗為樂觀，他與泡利打賭中微子會(huì)被實(shí)驗(yàn)探測到。后來泡利認(rèn)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?yàn)槟切┚贫急粴g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(jiǎng)，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?yàn)槿绱?，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(diǎn)：暗物質(zhì)有質(zhì)量，參與引力作用。在他們看來，正是因?yàn)榘滴镔|(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(xiàn)。
中微子被確定存在之后，它是否有質(zhì)量卻一直是個(gè)謎。因?yàn)橹形⒆犹y捕捉，無法確定其軌跡。它很可能與光子一樣，是一個(gè)沒有質(zhì)量的粒子，而即使有質(zhì)量，也是名不符實(shí)：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(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)粒子物理學(xué)家已經(jīng)知道，中微子其實(shí)有三種不同的類型。一個(gè)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(gè)振蕩現(xiàn)象便成為中微子質(zhì)量的信號(hào)。美國的實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)所證實(shí)，他們因此獲2015年諾貝爾獎(jiǎng)。）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(gè)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(huì)像光子一樣以光速運(yùn)動(dòng)。即使中微子有質(zhì)量，因?yàn)槠滟|(zhì)量之微小，它的速度也會(huì)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(dòng)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(jiān)持冷暗物質(zhì)，因?yàn)槌藭炤嗊@個(gè)尚未被證實(shí)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(dāng)沙普利在1952年退休時(shí)，他曾志得意滿地估算當(dāng)時(shí)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(tái)的輝煌也隨著時(shí)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(tái)拔得頭籌。1973年，哈佛天文臺(tái)與鄰近的史密森尼天文臺(tái)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(gè)中心的幾個(gè)年輕博士后、研究生自己動(dòng)手，利用當(dāng)時(shí)的新技術(shù)組裝先進(jìn)的測量儀器，可以用不是很大的望遠(yuǎn)鏡同時(shí)拍攝大范圍的星光光譜。他們由此開始了一個(gè)大規(guī)模的光譜紅移普查（CfA Redshift Survey），試圖覆蓋整個(gè)宇宙。在用計(jì)算機(jī)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(tuán)之外，他們發(fā)現(xiàn)還有更大的“超星系團(tuán)”（supercluster）。無論在多大的尺度上，星體都沒有呈現(xiàn)出均勻或隨機(jī)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(gè)團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的纖維狀結(jié)構(gòu)，看起來像一個(gè)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(tuán)隊(duì)在進(jìn)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(shí)間，距離我們越遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)形成得越早，越接近宇宙之初。由遠(yuǎn)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(huì)出現(xiàn)天壤之別。在1982年霍金主導(dǎo)的那菲爾德會(huì)議之后，天文學(xué)家已經(jīng)有了共識(shí)：暴脹結(jié)束時(shí)的宇宙會(huì)因?yàn)榱孔恿W(xué)的隨機(jī)漲落而帶有不均勻性，如果那時(shí)的宇宙中充滿了熱暗物質(zhì)，它會(huì)以接近光速的速度到處流竄，很快會(huì)將這些細(xì)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(tuán)、超星系團(tuán)、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(gè)截然相反的演變可以通過哈佛等團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)直接檢驗(yàn)，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(biāo)準(zhǔn)模型”，質(zhì)量大的粒子由夸克組成：有由三個(gè)夸克組成的“重子”（baryon），也有由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的“介子”（meson），它們合稱為“強(qiáng)子”（hadron）。因?yàn)榭淇藥в须姾?，?qiáng)子都會(huì)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)了。
格拉肖、溫伯格等統(tǒng)一弱電相互作用時(shí)，理所當(dāng)然地引入了當(dāng)時(shí)不存在、還是在1980年代初被實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在越來越強(qiáng)大的高能對撞機(jī)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(shí)驗(yàn)證實(shí)。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(gè)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(gè)特定的對稱破缺機(jī)制，他們發(fā)明了一個(gè)名叫“軸子”（axion）的新粒子?，F(xiàn)在，這個(gè)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(gè)“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(fèi)米子（fermion）。超對稱理論認(rèn)為這兩種粒子之間也存在對稱性：每個(gè)玻色子有一個(gè)對應(yīng)的費(fèi)米子；每個(gè)費(fèi)米子也有個(gè)對應(yīng)的玻色子。只是這個(gè)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(gè)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(jī)。
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(gè)新名字：“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（weakly interacting massive particles），準(zhǔn)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(gè)又長又拗口的名字有一個(gè)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(gè)縮寫，來自于一個(gè)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(gè)名字強(qiáng)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(huì)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(jì)末天文學(xué)家和物理學(xué)家面臨的新挑戰(zhàn)。現(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(gè)宇宙理論，因?yàn)榇饲暗挠钪婺Ｐ投紱]有包括暗物質(zhì)的貢獻(xiàn)、影響。
來源：程鶚 的博客
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