《环球科学》：暗宇宙里的隐秘生活

《环球科学》杂志12月封面

暗物质和暗能量构成的“暗宇宙”，与我们的宇宙交织在一起。虽然看不见也摸不着，但暗宇宙中的暗居民们或许过着跟我们一样丰富精彩的隐秘生活。

暗物质和暗能量构成了一个我们看不到也摸不着的暗宇宙，与我们的可见世界交织在一起。那里会不会有我们看不见的电子和质子，构成我们看不见的原子和分子，再构建起我们看不见的行星和恒星，甚至进化出我们看不见的人类呢？粒子物理学家为这些问题提供了意想不到的答案。

两条互不相干的理由让科学家相信，宇宙中充斥着某种未知形式的物质——暗物质。一是恒星、星系和气体云团的运动方式，就好像它们受到了不可见物质引力的牵引。二是放射性衰变之类的过程提出的难题，可以用一些迄今未知的粒子来合理解释。

通常认为暗物质由WIMP粒子构成，这种粒子几乎不与可见世界发生相互作用。孤僻是它的必要条件。

或者至少可以说，这是常见的假设。暗物质有没有可能实际上拥有丰富精彩的内部生活？努力想弄明白暗物质由什么东西构成的粒子物理学家认为，它们能够通过一大堆作用力发生互动，其中就包括某种我们的眼睛完全不可见的“光”。

1846 年9 月23 日，德国柏林天文台台长约翰·戈特弗里德·伽勒（Johann Gottfried Galle）收到一封信，一封即将改变天文学发展进程的信。寄这封信的是一个法国人，名叫于尔班·勒威耶（Urbain Le Verrier）。他一直在研究天王星（Uranus）的运动，得出了如下结论——天王星的轨迹无法用当时已知的、作用于其上的引力来完全解释。于是勒威耶提出，必定存在一个当时尚未观测到的天体，它的引力干扰了天王星轨道，而且干扰方式刚好能够解释观测到的异常运动。就在当天晚上，伽勒将望远镜瞄向了勒威耶指明的方向，发现了太阳系的第八大行星——海王星（Neptune）。历史在现代宇宙学中再度上演——天文学家观测到宇宙中的异常运动，推测存在新的物质，然后努力去寻找它们。这次扮演天王星角色的是恒星和星系，我们看到它们正以一种不应该有的方式在运动，扮演海王星角色的则是我们推断存在却迄今未能观测到的东西，现在暂时被称为暗物质（dark matter）和暗能量（dark energy）。根据我们看到的那几类异常现象，我们能够搜集到一些与它们有关的基本事实。暗物质似乎是一片不可见粒子的海洋，它们充斥在空间各处，密度并不均匀；暗能量则均匀分布，就好像与空间本身的结构交织在了一起。科学家还没能再现伽勒当年的壮举——将望远镜指向天空便明确无误地瞥见了未被看到的目标，但令人心动的线索及暗示，比如粒子探测器里的神秘信号，数量却在不断增长。

尽管海王星是作为暗中影响天王星的一股神秘力量而被发现的，但它本身也是一颗令人着迷的星球。这样的情况会在暗物质和暗能量身上再现吗？尤其是暗物质，科学家开始考虑这样一种可能性——暗物质并非只是为解释可见物质异常运动而发明出来的抽象概念，而是宇宙隐藏起来的另一面，内部有着丰富精彩的活动。它或许由许多种不同的粒子构成，通过自然界中的全新作用力发生相互作用——这样一个完整的宇宙，静悄悄地与我们自己的宇宙交织在了一块。

宇宙隐暗面为解决粒子物理学百年难题而被提出的一种粒子，居然漂亮地解释了宇宙学中的暗物质。

这些想法与科学家一贯沿用的如下假设有所出入，即暗物质和暗能量是宇宙中最不擅长“交际”的东西。自从20 世纪30 年代天文学家首次推断暗物质存在以来，他们就把“不与其他东西相互作用”当成了暗物质的招牌属性。天文观测暗示，暗物质的总质量是普通物质的6 倍。星系和星系团全都被巨大的暗物质球包裹，天文学家称之为“暗物质晕”（dark matter halo）。如此大量的物质居然能避开直接检测，天文学家据此推论：暗物质必定由几乎不与普通物质互动、当然彼此间也几乎不发生相互作用的粒子构成。它们唯一的作用，就是为发光物质搭建引力“脚手架”。

天文学家认为，暗物质晕在宇宙早期率先形成，然后才把普通物质吸引了进来。普通物质由于拥有一系列丰富多样的互动能力而发展出了错综复杂的结构，毫无生气的暗物质却依然停留在原始状态。至于暗能量，它唯一的作用似乎就是加速宇宙膨胀，而且现有证据表明，自宇宙诞生以来，暗能量就完全没有发生过任何变化。