黑暗中的居民

我知道我是为一代人在作代言，从他们还是研究生的时候就已经开始寻找暗物质粒子流。我怀疑……如果LHC带来了坏消息的话，我们之中还有多少人会留在这个领域。

——胡安·卡勒，卡夫利宇宙物理研究所（《纽约时报》，2007年3月11日）

在LHC的成果中找到一些超越理论家们思考的东西，对此有着迫切的需求。在过去几十年里，天文学中出现了一个大问题：把宇宙里所有东西的质量和能量清点了一遍后，发现几乎所有受万有引力吸引的东西都是看不见的。根据最新估计，发光的物质只占宇宙中全部物质的4%。这一小部分包括了原子组成的所有东西，从气体氢到像地球这种行星的铁核。另外大约23%是由暗物质组成的，这些物质不发射我们能够探测到的光线，它们只是通过万有引力与我们打交道。最后，大约73%的部分是暗能量，这部分未知的组分导致了宇宙的哈勃膨胀速度加快。简而言之，宇宙是个谜，实际上几乎其中所有的组成部分都不见了。LHC能够帮我们把它们找回来吗？

缺失物质的困境提出之后很久，这个问题才被广泛接受。在1932年，就第一次隐约觉得拉着宇宙缰绳的手不仅仅是能够看到的物质。那时荷兰天文学家琼·奥尔特从处于我们的星系外圈的星星的运行方式中发现，它们应该受到与比我们观察到的物质所产生的引力更大的万有引力作用。银河系在某些方面像一个巨大的旋转木马，星体绕着星系中心转动，并相对于星系盘上下起伏。奥尔特发现，他可以测量这些运动，并计算银河系总共需要多大的万有引力来把星体拉回到星系盘里来，以防止它们跑掉。他利用所需要力的大小估算了银河系的总质量，这后来称为奥尔特极限。他很惊讶地发现，这个质量大于估计发光星体算得的观察质量的两倍。

一年后，出生在保加利亚、在加利福尼亚理工学院工作的物理学家弗里茨·兹维基，独立完成了一项观测，这就是使一个叫做后发座星系团的巨大星系团免于分裂所需要的万有引力“胶水”应该为多大。因为这个集团中的星系相距得很远，兹维基估算出的万有引力是一个很大的数字。计算出为了得到这么大的力所需要的质量数，令他大吃了一惊，它是发光物质质量数的几百倍。为了将如此广大的结构搭建起来，似乎有些看不见的脚手架起了支撑作用。

除了哈勃发现了宇宙膨胀之外，20世纪30年代的科学家们对宇宙知之甚少，甚至于银河外的星系被称为“宇宙岛”的概念也都是比较新的。当时物理宇宙学还处于发展的早期，奥尔特和兹维基所做出的惊人发现被大大忽略了。在天文学家认识到它们的重要性时，已经过去了几十年。

现在我们之所以对暗物质感兴趣，应该感谢一位勇敢的年轻天文学家，维拉·库珀·鲁宾。她是在不鼓励女性参与的年代进入这个领域的。鲁宾生于华盛顿特区，她的童年爱好是在她的卧室窗口向外凝视以及阅读天文学书籍，特别喜欢读寻找彗星的人——玛丽亚·米歇尔的传记。令她很沮丧的是，那时候的传统就像是在俱乐部的门前似乎总是挂着一块“不准女孩进入”的牌子。

鲁宾后来回忆说：“当我上中学的时候，我被不断地告知去找点别的什么来学习吧，或者告诉我不能选择天文学家作为职业。但我就是不听。如果这是你真的想做的事情，那么你就去做。有勇气去做，也许就会有所不同了。”

鲁宾在瓦萨大学获得学士学位，在康奈尔大学取得硕士学位。瓦萨大学就是米歇尔曾经任教的地方。之后她回到故乡，在乔治敦大学继续从事天文学方面的研究生学习。尽管乔治·伽莫夫不是乔治敦大学的教师，她还是与他分享了有关星系行为的发现，并让伽莫夫担任了她的毕业论文导师。在他的精心指导下，鲁宾于1954年获得了博士学位。

鲁宾一边与丈夫罗伯特·鲁宾一起抚养四个孩子，一边找了一个可以给她足够多自由度的永久性工作。1965年，华盛顿卡内基研究所的地磁部招收她为研究成员。不久她与曾经为自己制作过望远镜的同事肯特·福特组成团队，一起开始对星系的外层进行广泛的研究。

鲁宾和福特把注意力放在离银河系最近的邻居仙女座螺旋星系上，他们用摄谱仪对其外围星体的多普勒频移做了记录。多普勒频移是指当物体向着（或反向）观察者运动时频率的变大（或减小），频移的大小取决于运动物体的相对速度的大小。这种现象在所有的波动现象中都会发生，比如声和光。当消防车靠近的时候，我们会注意到它的鸣笛声会越来越尖锐，而在离开的时候其声音越来越低沉，这就是多普勒频移。对于光来说，靠近意味着频移是向着光谱蓝色那一边移动，简称蓝移，离开则是向红色端移动，称为红移。哈勃利用星系红移证明了，远方的星系正在远离我们。多普勒光谱学因此成为天文学中的重要工具。

鲁宾和福特将仙女座最外面星体的光谱变化确定了下来，然后计算了它们的速度。他们得到了这些星体绕星系中心的轨道运动的速度，将星体的轨道速度相对于它们距离星系中心的半径的变化画下来，这两个卡内基的研究人员得到一张重要的图，称为星系旋转曲线，它表示了仙女座最外层物体是怎么运动的。

就如开普勒几个世纪前发现的，对于天文情况而言，比如说太阳系，大部分的物质是处于中心部位的，离中心越远的物体其轨道周期就越长。外层行星的轨道运动比内层行星要慢。海王星的轨道速度为每秒3.4英里，像只乌龟爬，而水星则以平均每秒30英里的速度绕太阳高速转动。其原因是，当轨道半径增大时，太阳引力的影响会快速变小，而太阳系外没有足够多的质量来对行星速度产生比较大的影响。

人们曾经认为，像银河系这样的螺旋星系中心都有着类似的物质汇集现象。星体汇集得最密集的地方，看上去是处于星系中间凸起的地方；相对来说，外层的旋臂和主星盘周围的星晕似乎是黯淡稀疏的，但是其外表具有欺骗性。

卡内基的研究人员将仙女座旋转曲线上的点连接起来。尽管充分期待像太阳系那样速度会随着半径增大而减少，但发现即使是最外层的点也表现为一条水平线时，他们困惑了。那条曲线不像一座山的斜坡，而是像一个平台。这样的平台式速度模式意味着质量远远超出了所观测到的，有些看不见的东西为引力本该微小的地方补足了引力强度。

为了看看他们所得的结果是仙女座专有的还是一般性的，鲁宾和福特又把两个同事诺伯特·托纳尔和大卫·伯斯坦拉进了团队。他们又观测了另外六个螺旋星系。尽管不是所有的星系都是螺旋形的，有的是椭圆形的，还有些是不规则的，但是他们还是选择了风车形的星系，因为它们简单。与其他类型的星系不同，螺旋星系中外层星体一般沿着相同的方向旋转，因此比较容易绘制和分析它们的速度。

依托亚利桑那州的基特峰天文台和智利的塞罗托洛洛山天文台的望远镜所收集的数据，团队成员们把六个星系的旋转曲线都画了出来。每一张图都令人惊奇地出现了与仙女座中所观察到的相同速度偏离。鲁宾和她的合作者们得出结论说，螺旋星系中大部分的物质都是弥散开，而且是看不见的。这除了显露出它们的质量影响之外，什么也没有显露出来。这个谜题太麻烦了，奥尔特和兹维基全力杀了回来。

面具下面有什么呢？暗物质会只是些很难被看到的普通物质吗？我们的望远镜是否强大到能看到空间中的大部分物质呢？

曾经的暗物质主要候选者有一个和其应该具有万有引力效应的性质很相称的名字：MACHO（有质量的致密光晕物体的缩写。译注：英文里正好和“强壮男人”的拼写相符合）。在星系光晕中有质量的物体的辐射非常微弱，这样的例子有大行星（木星大小或者更大）、褐矮星（从未点燃过的星体）、红矮星（发光微弱的星体）、中子星（由核素组成的塌缩星核）以及黑洞。它们每一个都是由重子物质形成的，重子物质是指原子核这样的东西及其类似物，比如说氢气。

为了寻找MACHO以及其他难以看到的引力物体，天文学家们开发了一个强大的技术，称为微引力透镜。引力透镜是一个大质量物体，它可以像透镜那样使光线弯曲。根据爱因斯坦的广义相对论，重的物体使得时空弯曲，从而也使得其周围的光线扭曲。在1919年，通过观测日食时太阳导致的星光弯曲已经证实了这一点。

微引力透镜是利用光线从远处的星体传播到地球的过程中引力所造成的光线弯曲，来测量可能存在的MACHO质量的一种方法。如果一个看不见的MACHO恰巧移动到一个可见星体的前面（比如从背景中的一个邻近星系移动过来的），那么星光就会因为MACHO的引力聚集效应而变亮。当这个MACHO走掉之后，光线又会变暗，变回原来的亮度。天文学家可以通过亮度的变化来确定这个MACHO的质量。

在20世纪90年代期间，设在澳大利亚斯特姆洛山天文台的一个天文学家国际团体开展了MACHO项目，他们收集了13～70个微透镜候选事件。利用大麦哲伦星云（一个比较小的邻近星系）作为星空背景对其星系光晕进行了广泛地搜索之后，这个团队找到了它们的亮度变化特征。天文学家们由这些数据估算出，这个星系光晕中20%的物质应该是MACHO，它们的质量大约是太阳质量的15% ～90%。这些结果表明，在星系外围那些或亮或暗的星体中有一部分是无法直接看到的，但是可以测量它们的质量。尽管这些物体能够为星系边界区域增加一些质量，但MACHO项目表明它们仅仅是所缺少质量的一部分。

还有别的原因表明，MACHO只能用来解决暗物质谜团的一小部分。核合成（构建元素）模型可以估算，在大爆炸之后为了产生我们今天能看到的那些元素，必须有多少质子参与其中。利用这个模型，天体物理学家可以估算宇宙中重子物质所占的比例。不幸的是，这些估算表明自然界中只有一小部分的暗物质是重子物质，其余的则是其他什么东西。MACHO是由普通的重子物质组成的，所以它们不能提供完整的解释，因此研究人员们转向了其他的候选者。

缩写MACHO所表现出的强壮性和作为另一类暗物质候选者WIMP（弱相互作用有质量粒子）表现出的轻柔形成强烈对比。与MACHO不同，WIMP并不是天体，而是只参与弱相互作用和万有引力相互作用的有质量的新粒子。由于有质量，它们移动速度慢，这样它们的万有引力“黏性”有助于将我们观测到太空里的大尺度结构，比如说星系和星云，黏到一起。

如果中微子再重一些，并且更不活泼一些，就应该为此买单了。作为轻子，它们忽视了强相互作用力；作为电中性粒子，它们也不在意电磁相互作用。然而，由于中微子太轻并且运动太快，这似乎就将它们排除到有效成分之外了。这种快速运动的特性就像一个经常到处旅游、不大重要的政治家想得到某个地方议会的支持，由于没有稳定下来，植根于他的社区，他又怎么能把人们团结起来呢？类似地，中微子从来不在一个地方呆上足够长的时间，想作为团结者它的影响力是不够的。

像中微子这样的粒子质量太小，运动太快，难以形成结构，它们有时候被称为“热暗物质”。尽管它们可能是宇宙所缺少质量中的一部分，但是它们不能解释为什么星系会对外层星体有这么强的作用，以及为什么它们会聚集成团。运动比较慢的庞大物体，比如，MACHO和WIMP一起组成了“冷暗物质”。它们会提供合适的脚手架——只要我们找到的它们足够多的话。

如果不是中微子的话，那么到底是其他的哪些不带电的非重子粒子可以有足够多的质量，同时又运动得足够慢，足以引导星体并吸引住星系呢？除了中微子、MACHO和WIMP之外，另一个候选者是一种称为轴子的假想粒子，它在量子色动力学（强相互作用力的理论）中发挥作用，被一些理论家们认为是暗物质的一个主要候选者，但现在还没有被发现。对于宇宙缺失质量的搜寻如今已陷入了僵局。

LHC参与到了救援活动之中。或许在其碰撞碎片的某处可以找到冷暗物质的主要神秘组分。主要的竞争者将是最轻的超对称伙伴粒子，比如说超中微子、超带电子、超胶子、超光子、超夸克以及超轻子。预计它们的能量为TeV量级大小，将会在跟踪和量热过程中所显示出来的衰变特性中让自己显现出来。

如果暗物质是宇宙中主要的谜题，物理学家们会简单地咬紧牙关，交叉手指，期待在LHC的成果中或其他什么地方带来希望。这就像公布了一个合理的职位描述，然后希望最终有合适的人选来应聘。然而，对暗能量的寻找是一个更加含糊不清的事情，这已经被证明是更加令人身心俱疲的事情了。不仅仅是有什么重要的东西遗失了，而且科学家们对于怎么去寻找它们还没有什么办法。

暗能量是在1998年第一次震撼科学界的。当时两组天文学家，一组是由扫罗·珀尔马特领导的劳伦斯伯克利国家实验室的团队，另一个是位于斯特姆洛山天文台包括亚当·里斯、罗伯特·基施纳和布赖恩·施密特的合作组，他们发布了有关宇宙膨胀的令人吃惊的结果。他们都利用了远处星系中的超新星来进行距离测量，从而追溯宇宙随时间的膨胀情况。通过这些星系波谱线的多普勒频移得到它们的速度，再根据速度的变化画出了这些星系的距离，这两个团队确定了几十亿年以来哈勃的星系退行定律是怎么变化的。

要观测的爆炸恒星类型称为超新星Ia型，这类超新星有一个特别的性质，就是它们所产生的能量有一种规律性的变化。由于这种周期性，这些团队可以拿它们实际的能量变化与所观测到的光输出作对比，从而计算出它们到底有多远。这为几十亿光年外的星系提供了标尺，用那些星体爆炸的时间来记录它们的距离。

具有已知能量输出的天体称为标准烛光。类似黑暗的公路上遥远的街灯，你可以通过它们看上去有多亮或者多暗来判断它们距离——假设这些灯的功率大致相同。在晚上走过一条街的时候，如果你的眼睛被强烈的眩光照花了，那么你会认为这个光源相对于一个很暗淡、几乎都看不见的光源来说就非常近了。因此你可以根据它们的相对亮度来估算距离。

由珀尔马特领导的称为超新星宇宙学项目（SCP）的团队与粒子物理学界有着很深的联系。首先，由于利用宇宙背景探测卫星对宇宙微波背景进行了探测，他与乔治·斯穆特一起获得了诺贝尔奖，这代表着劳伦斯实验室工作的一个扩展。由于劳伦斯实验室总是在寻找联系和应用，这样的广阔视野完全与前辐射实验室相匹配。而且，创建SCP的一个成员是格尔森·戈尔达贝，他因为在斯坦福直线加速器中心所起的作用赢得了称赞，他在那里领导的小组共同发现了J/ψ粒子。在卢瑟福和查德威克时代，他哥哥莫里斯·戈尔达贝在卡文迪许实验室工作，并长期是布鲁克黑文国家实验室的主管。因此可以说，宇宙学和高能物理——关于极大物体的科学和关于极小物体的科学——已经成为了同一个家庭的一部分。

当SCP开始探索的时候，其研究人员希望利用超新星标准烛光作为确定宇宙减加速的方法。万有引力的吸引特性意味着，任何有质量物体的集合在分散开的时候，必须随着时间降低其向外膨胀的速度。简单地说，往上跑的东西一定会落下来——或者至少会减速。宇宙学家们因此预计，宇宙动力学将会沿着三种不同路线之一的方式运动，这依赖于宇宙密度相对于某个临界值有多大：减速够快的话会逆转回来；逐步减速但不逆转；或者减速恰到好处最后始终处于风口浪尖上。

这三种方式都开始于标准的大爆炸。如果密度足够大，宇宙膨胀的速度就会随时间变慢，经过几十亿年后膨胀会变成收缩。最终所有的东西又会压缩到大爆炸当初的样子。如果密度低于临界值，那么宇宙膨胀的速度会一直慢下来但不会逆转，就像一个疲惫的赛跑运动员慢吞吞地拖着身体前进。尽管星系们分离开的速度越来越慢，但它们永远都不愿再重新聚集在一起，这种可能的情况叫做大沉寂。第三个选项是密度恰好是临界值，这种情况下宇宙膨胀速度会减慢得恰到好处，马上就要收缩，但却永远不会真的收缩，就像一个杂技演员小心地平衡在绳索之上。

珀尔马特和他的团队充分预计到了会遇到这三种可能中的一种。但他们的超新星数据讲述了一个不同的故事，这让他们感到了惊讶。速度随距离的变化曲线表明，宇宙的膨胀速度是在加速，而不是减速。有些东西踩在了油门踏板上，而不是踩住了刹车，这不可能是任何一个已知的力。芝加哥大学的理论家迈克尔·特纳将这个未知的家伙命名为“暗能量”。

尽管暗能量与暗物质都有着神秘的身份，但它们是不同的。暗物质和普通物质有着相同的万有引力作用，而暗能量则不同，它是一种“反引力”，会产生向外的加速度。如果暗物质走进了一个聚会，它就会像一个得体的主人那样为客人作介绍并把他们拉到一起；但如果是暗能量闯进去的话，它就会表现得像一个防暴警察，驱散人群。的确，如果宇宙中有太多的暗能量一点都不好玩，宇宙最终会在一场灾难之中把自己撕成碎块，这称为大撕裂。

一些物理学家重新把爱因斯坦曾经从广义相对论中扔出去的宇宙常数项捡了回来，用来表示暗能量。尽管加上这样一个反引力的常数项很简单，但这需要一些物理上的动机。物理学家们不愿在已经建立得很好的理论中加进去任何东西，同时却缺乏从基本层面上对这些新内容需求的理解。这就意味着要解释之后的场理论。然而，现代的场论认为需要几乎完全地，但不是精确地抵消掉一个大得多的真空能量，从而得到一个合理的宇宙常数。因而，要从实验上匹配宇宙的加速情况是一项艰巨的任务。

此外，如果暗能量是空间和时间的常数，那么它将永远不会失效。在万有引力为亘古不变的暗能量割让土地的同时，大撕裂绝对将会发生的。在接受这样的结果为必然的事情之前，多数理论家们会仔细地想想有没有替代的方案。

普林斯顿大学的物理学家保罗·斯坦哈特与理论家罗伯特·考德威尔和拉胡尔·戴夫一起利用一种称为第五元素的全新类型物质，提出了另外一种暗能量模型。第五元素是一种假想的物质，它有着负压强，会推着物体分离开（就像是站在非利士人军队中的参孙），而不是将它们拉到一起（就像普通的引力物质）。它的名字可追溯到恩贝多克的四种基本元素，而第五元素就是第五种。宇宙常数与第五元素的不同，在于前者是像花岗岩那样稳定，而后者就像可塑性油灰那样会随着位置和时间的变化而变化。

用于探测宇宙背景辐射的威尔金森微波各向异性探测器所做出的发现，支持了宇宙是由按照暗能量、暗物质和可见物质顺序组成的混合物的想法。然而那些卫星照片并不能告诉我们，那些暗物质的确切成分是什么。

物理学家希望在LHC上发现有关暗能量和暗物质的更多线索。比如说，如果在LHC上发现了第五元素，就将会为宇宙学领域带来革命，改变我们对物质、能量和宇宙的认识。所有东西的命运可能真的是处于危急状态之中，当然这基于发现了什么东西。

加进去一个宇宙常数或者假定有一种新型物质并不是唯一的选项，一些理论家看到了完全重新思考万有引力性质的需求。万有引力会不会在不同尺度上有不同的表现？它会不会在行星尺度上表现出一种方式，而在星系尺度上又表现出另一种方式？像鲁宾说过的那样，“我想在我们知道了什么是万有引力之前，我们不会知道什么是暗物质的。”

全新的万有引力理论会在它的机制和尺度方面有根本的改变。他们设想万有引力的一些性质可以用它穿透看不见的额外维度的能力来解释，这些维度不受其他形式的物质和能量的影响。可以想象宇宙中的暗物质可能是更高维空间的投影。

需要注意的是，这些看上去和它们一样奇怪的新理论中的一部分，是可以在LHC上进行验证的。从高能所转化过来的非凡能力，除了可以发现新粒子外，也可以发现新的维度。谁知道LHC前所未有的能量会揭示出大自然隐藏了很久的哪一个秘密呢？