来感受一下暗物质的引力

1、来感受一下暗物质的引力由10亿个传感器组成的阵列能否探测到我们身边的暗物 质？预言暗物质的存在，在近一个世纪前是轰动科学界的一 件大事，曾让许多天文学家眉飞色舞。但是，最近几年， 他们越来越着急了。他们为什么着急？ 一句话，这关乎他们的信誉。你瞧，我们本来确信自己活在一个阳光灿烂的世界里， 可是有一天他们跑来信誓旦旦地告诉我们，在宇宙中还 存在大量看不见、摸不着、感觉不到的东西，也就是他 们所称的暗物质。而且据他们说，暗物质是普通的可见 物质的5倍还多。这就好比有人来告诉你，这个世界其 实由幽灵主宰，这里的幽灵比活人还多。这能不让你心 里一惊么？除了电荷相反，其他性质完全一样；而且在大爆炸中，

2、创 造的物质和反物质是完全等量的。可是如此一来，我们这个物质占主导的宇宙的存在就成 问题了。因为物质和反物质一接触就湮灭，要是两者等 量，湮灭之后任何物质都不会剩下。这个矛盾迫使一些 物理学家猜想，粒子和它的反粒子很可能在性质上有微 小的差异。正是这点微小的差异，让我们的宇宙幸存了 下来。鉴于粒子物理学的标准模型并未解释暗物质是什么，它 与反物质和物质的相互作用可能也是不同的。如果它与 反物质有更多的相互作用，这不仅可以为反物质之谜提 供一个新的解释，还可以提供一种探测暗物质的方法。既然有这么多的暗物质，那他们好歹拿个出来给我们看 看呀。这正是着急的所在，因为他们已经搜索了差不多 半个世纪，迄

3、今连一点影儿都没找到。既然没找到，那就继续吧。没错，他们最近又有了一个 新的点子：通过直接探测暗物质的引力来揭示它们的存 在。暗物质目前唯一确定的性质听我这么一说，熟知暗物质历史的你一定会说：这算什 么新点子！人尽皆知，暗物质跟普通物质只有引力作用， 我们本来就只能通过引力来探测它们嘛！这话自然没错。不过，天文学家为什么先前没想到“这 一点“，个中的原委却一言难尽。暗物质最早是出于天文擘上的需要提出来的。因为天文 学家发现，很多星系边缘的恒星运动速度很快，可是奇 怪的是，它们居然没有逃离星系。这话怎么说呢？我们知道，物体做圆周运动，需要向心 力；速度越快，需要的向心力也越大。这些恒星运动那么快

4、，需要的向心力一定很大。那么，是什么天体产生的 引力，使它们没能飞出去呢？ 我们知道，引力大小跟两个天体质量的乘积成正比。能 把星系边缘的恒星控制住的，差不多是整个星系的质量。 可是当天文学家根据星系中的发光天体加上盘踞中心的 黑洞估算出该星系的质量时，他们发现，这点质量远远 不够把边缘的恒星控制住。这就迫使他们提出，星系中 还存在大量不发光的物质，正是这些物质产生的引力， 使这些星系边缘的恒星不至于逃逸。这些物质就是所谓 的暗物质。注意，这里所谓的“发光”，不仅指发可见光， 也包括散发紫外线、无线电波等其他电磁波。总之一句 话，暗物质不会发射电磁波。电磁波是电磁作用的结果，所以这又意味着暗物

5、质之间 以及它跟普通物质之间，都没有电磁作用，让我们所有 的望远镜都鞭长莫及。在普通物质中，强核力是为了克服电磁力而存在的。譬 如，氧原子核由8个质子和8个中子组成。8个质子都带 正电荷，距离又靠得非常近，如果没有强核力把它们“捏” 在一起，它们早就因静电排斥各自逃散了。现在，暗物 质没有电磁力作用，对于它，强核力似乎也失去了存在 的理由。所以，一般认为暗物质之间以及暗物质与普通 物质之间，也不存在强核力作用。至于弱核力是否存在， 暂时还无法确定（下面你将会看到，我们以往探测暗物 质正是基于它们之间存在弱核力这一假设的）。所以，我们对暗物质的性质迄今唯一可以确定的是：它 们之间以及它与普通物质

6、之间，存在引力作用。以往是如何探测暗物质的说到这里，你也许会说：既然如此，那我们就去探测它 的引力好了。可是说得轻巧，要知道，引力是一种极其 微弱的作用力。说引力是一种微弱的作用力，似乎可笑。从高楼上掉下 一个花盆，可以把停在下面的小车砸穿。这不就是地球 引力惹的祸吗，怎么算微弱呢？这当然是事实，但强弱是相对而言的。前面说过，引力 大小跟两个天体质量的乘积成正比，花盆质量不大，可 地球质量大呀。如果引力大，那我们人与人就会碰在一 起，车与车碰在一起，我们还怎么生活？所以幸亏引力 小。在物理学家看来，让两个质子保持在同样的距离， 那么它们之间的静电力比它们之间的引力，要高出40个数量级。40个数

7、量级是什么概念？就是1后面添加40个引力的强度是如此微弱，所以要去探测我们身边暗物质 的引力，几乎不可能。它们的引力，也只能在星系量级 的天体中，才能表达出来。那么，以往人们是怎么探测的暗物质的呢？这就要涉足 粒子物理学了。物理学上认为，所有物质都是由粒子组成的。暗物质也 不例外，因此应该存在暗物质粒子。可是在粒子物理学 的标准模型中，能满足暗物质性质的，只有一种粒子， 那就是中微子。中微子不带电，所以没有电磁作用。但 中微子有质量，所以必定受引力作用。中微子与普通物 质有弱核力作用，而前面提到，暗物质并不排斥弱核力。但遗憾的是，中微子质量太轻，似乎难以担当暗物质占 宇宙物质总质量的85%的重

8、任。此外，它们跑得太快，太 难管束，似乎难以把它们束缚在星系里。这样，人们就把希望寄托在大质量弱相互作用粒子（WIMP） 身上。WIMP是一种假想的粒子，是超对称理论预言的。 超对称理论是一门很高深的理论，你只要知道它是目前 粒子物理学标准模型的扩展版就行了。WIMP的质量预计在质子的50到几千倍之间，并且它不仅 通过引力，也通过弱核力与普通物质作用。弱核力虽然 称“弱”，但其实比电磁力还强得多，这就为暗物质提供 了一种更容易探测的方法：当暗物质遇到普通物质时， 或许会像中微子一样，发生弱核反响，从而暴露其踪迹。然而令人沮丧的是，迄今30多年过去了，我们依然没有 发现WIMP。更要命的是，最近

9、连预言WIMP的超对称理论 也岌岌可危了。因为超对称理论还预言了其他一些粒子， 但欧洲大型强子对撞机经过一次次升级之后，能量已经 足够高，按理应该能碰撞出一局部这些粒子，但它依然 一无所获。所以，现在越来越多的怀疑目光落在了超对 称理论头上。暗物质占宇宙物质总量的80%左右通过引力探测暗物质在这种情况下，美国马里兰大学的理论物理学家丹尼 尔卡尼和他的同事提出，我们应该“重拾初心”：既然 真正确定暗物质性质的事情只有一件，即它和普通物质 之间存在引力作用，那我们为何不直接去探测它的引力 呢？咦！前面不是说暗物质的引力太弱了吗？没错，但时移 势易，今天我们最好的设备已经能够探测极其微小的力 了，小

10、到10-21牛顿！1牛顿大约相当于一个苹果的重量， 而10-21牛顿大约是一条RNA的重量。这一精度甚至超 越了探测引力波的激光干涉仪引力波天文台(LIG0)的 能力。而你知道LIGO的精度有多高吗？在从地球到太阳 这么长的距离内，哪怕只发生一个质子直径那么小的距 离变化，都能探测出来！能敏锐地感觉极微小的力的传感器有多种版本。卡尼他 们青睐的是造样一个版本：用几束激光将一个直径几百 纳米的玻璃珠“夹”起来，在超高真空中保持微妙的平 衡，并将其冷却到接近绝对零度。当它身边有暗物质飘过时，暗物质对它的引力将会使其失去平衡。当然，一个暗物质粒子的引力还是太小了，至少要一个 暗物质团块。研究人员的计

11、算说明，假如有一颗细盐粒 般大小（质量可以小到百万分之一克）的暗物质团块碰 巧在距离玻璃珠不到一毫米的空间飞过，我们就能观测 到珠子的振动。LIGO的混凝土隧道中藏着迄今探测引力最敏感的装置这听起来很简单，不过成为现实之前，仍有一些障碍需 要跨越。首先，你如何排除周围环境的干扰呢？比方说， 电梯在实验大楼升降造成的地面震动，你如何排除？有一个变通的方法。当地球和整个太阳系以每小时约80 万千米的速度围绕银河系中心旋转时，地球或许正穿过 一片暗物质的“丛林二卡尼和他的同事证明，如果你将 许多传感器安排在一个有规律的三维网格中，当一个暗 物质团块穿过时，它们会以一种协调的方式振动。请想 象一下你穿过一片茂密的灌木丛的情景。当你钻进灌木 丛的时候，前方的灌木往两边倒，在你身后的那么又迅速 地合拢来。把你自己想象成暗物质团块，把这些灌木想 象成传感器，那么传感器阵列就以类似的方式协调振动， 而来自周围环境的干扰产生的振动是不会这么有规律的。然而，问题就在这里。鉴于计算出的暗物质的密度，在1 立方米大小的空间需要布置100万到10亿个超敏感的传 感器，而目前，一个传感器的本钱大约是100万美元。这真是一个烧钱的活，需要本钱大幅度下降之后才可行。所以，目前科学