6 n: I$ ^4 j! O$ t7 U; M公仔箱論壇1846年9月23日，德國柏林天文台台長約翰·戈特弗里德·伽勒（Johann Gottfried Galle）收到一封信，一封即將改變天文學發展進程的信。寄這封信的是一個法國人，名叫於爾班·勒威耶（Urbain Le Verrier）。他一直在研究天王星（Uranus）的運動，得出了如下結論——天王星的軌跡無法用當時已知的、作用於其上的引力來完全解釋。於是勒威耶提出，必定存在一個當時尚未觀測到的天體，它的引力干擾了天王星軌道，而且干擾方式剛好能夠解釋觀測到的異常運動。就在當天晚上，伽勒將望遠鏡瞄向了勒威耶指明的方向，發現了太陽系的第八大行星——海王星（Neptune）。歷史在現代宇宙學中再度上演——天文學家觀測到宇宙中的異常運動，推測存在新的物質，然後努力去尋找它們。這次扮演天王星角色的是恆星和星系，我們看到它們正以一種不應該有的方式在運動，扮演海王星角色的則是我們推斷存在卻迄今未能觀測到的東西，現在暫時被稱為暗物質（dark matter）和暗能量（dark energy）。根據我們看到的那幾類異常現象，我們能夠搜集到一些與它們有關的基本事實。暗物質似乎是一片不可見粒子的海洋，它們充斥在空間各處，密度並不均勻；暗能量則均勻分佈，就好像與空間本身的結構交織在了一起。科學家還沒能再現伽勒當年的壯舉——將望遠鏡指向天空便明確無誤地瞥見了未被看到的目標，但令人心動的線索及暗示，比如粒子探測器里的神秘信號，數量卻在不斷增長。" B) X, a6 S6 R
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儘管海王星是作為暗中影響天王星的一股神秘力量而被發現的，但它本身也是一顆令人着迷的星球。這樣的情況會在暗物質和暗能量身上再現嗎？尤其是暗物質，科學家開始考慮這樣一種可能性——暗物質並非只是為解釋可見物質異常運動而發明出來的抽象概念，而是宇宙隱藏起來的另一面，內部有着豐富精彩的活動。它或許由許多種不同的粒子構成，通過自然界中的全新作用力發生相互作用——這樣一個完整的宇宙，靜悄悄地與我們自己的宇宙交織在了一塊。 " P: Q# x4 l2 Ros.tvboxnow.comos.tvboxnow.com4 b- ^, A4 K" F/ h! Z+ z$ c; |
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宇宙隱暗面為解決粒子物理學百年難題而被提出的一種粒子，居然漂亮地解釋了宇宙學中的暗物質。3 Y) P9 `! L: v) t
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這些想法與科學家一貫沿用的如下假設有所出入，即暗物質和暗能量是宇宙中最不擅長“交際”的東西。自從20世紀30年代天文學家首次推斷暗物質存在以來，他們就把“不與其他東西相互作用”當成了暗物質的招牌屬性。天文觀測暗示，暗物質的總質量是普通物質的6倍。星系和星系團全都被巨大的暗物質球包裹，天文學家稱之為“暗物質暈”（dark matter halo）。如此大量的物質居然能避開直接檢測，天文學家據此推論：暗物質必定由幾乎不與普通物質互動、當然彼此間也幾乎不發生相互作用的粒子構成。它們唯一的作用，就是為發光物質搭建引力“腳手架”。% r; ]! T) w/ _+ W' \
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$ A2 \6 q. y1 C- a8 utvb now,tvbnow,bttvb天文學家認為，暗物質暈在宇宙早期率先形成，然後才把普通物質吸引了進來。普通物質由於擁有一系列豐富多樣的互動能力而發展出了錯綜複雜的結構，毫無生氣的暗物質卻依然停留在原始狀態。至於暗能量，它唯一的作用似乎就是加速宇宙膨脹，而且現有證據表明，自宇宙誕生以來，暗能量就完全沒有發生過任何變化。( v ~- w: z3 {! ^4 x
; m( m9 t) F/ W7 xTVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。 F. V: j. n7 d: P; p' b+ G4 e4 C推動人們對“暗物質可能會更有生氣”產生預期的，與其說是天文學研究，倒不如說是對原子內部運作機制和亞原子粒子微觀世界的細緻探索。粒子物理學家有這樣一個傳統：能夠在已知物質的行為當中看出未知物質形式的蛛絲馬跡。他們的證據提供了完全獨立於宇宙中異常運動的另一條線索。對於暗物質而言，這條思路最早可以追溯到20世紀初放射性β衰變的發現。為瞭解釋放射性β衰變這種現象，當時的意大利理論學家恩里科·費米（Enrico Fermi）假定，自然界中存在一種新的作用力和一類新的作用力傳遞粒子，是它們導致了原子核的衰變。新的作用力類似於電磁力（electromagnetism），新的粒子則類似於光子（photon）——不過有一點不同，而且至關重要。光子沒有質量，因而運動能力超強，費米卻主張這些新粒子必須很重。它們的質量會限制它們的活動範圍，這樣才能解釋為什麼這種作用力能夠導致原子核分裂，卻無法在其他情況下被人察覺。為了能夠再現出觀測到的放射性同位素的半衰期（half-life），這些新粒子必須相當重——大約是質子質量的100倍，換算成粒子物理學里的標準單位，就是大約100GeV（十億電子伏特）。這種新的作用力現在被稱為弱核力（weak nuclear force），假想中的弱核力傳遞粒子則是W粒子和Z粒子，已經在20世紀80年代被人發現。它們本身並不是暗物質，但它們的性質暗示了暗物質的存在。按照粒子物理學家的經驗來推測，它們不應該有這麼重才對。這麼大的質量暗示，有東西在對它們施加影響——新的粒子導致它們承擔了更多的質量，就好像一位朋友老是誘惑你再多吃一塊蛋糕一樣。大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）的一項任務就是要尋找這些粒子，它們的質量應該跟W粒子和Z粒子的質量相當。事實上，物理學家認為排着隊等待被發現的粒子或許多達好幾十種——按照所謂的超對稱（supersymmetry）原理，每種已知粒子都有一種未知粒子與它對應。在這些假想的粒子當中，有一大類被統稱為弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）。之所以起這個名字，是因為這些粒子只通過弱核力發生相互作用。由於跟主宰着日常世界的電磁力完全“絕緣”，這些粒子根本是看不見的，也幾乎不會對普通粒子產生任何直接的影響。因此，它們成了宇宙中暗物質的完美候選者。os.tvboxnow.com" j: t3 ^, z9 u
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不過，這些粒子能否真正解釋暗物質，還取決於它們的數量有多少。而這，正是粒子物理學觀點真正吸引眼球之處。與其他任何種類的粒子一樣，WIMP粒子也是在宇宙大爆炸的“烈焰”中產生的。在宇宙的極早期，高能粒子碰撞既能創造WIMP粒子，也能摧毀WIMP粒子，因而在任意時刻，都會有一定數量的WIMP粒子存在。這一數量會隨時間而變，具體取決於受宇宙膨脹驅動的兩個相互抵觸的效應。第一個效應是宇宙這鍋“原湯”的冷卻，這會降低可用於產生WIMP粒子的能量，因此它們的數量會減少。第二個效應是粒子的稀釋，這會降低粒子碰撞發生的頻率，直到碰撞實際上不再發生為止。到了此時，也就是大爆炸后大約10納秒（nanosecond，十億分之一秒），WIMP粒子的數量便被凍結了下來。宇宙不再擁有創造WIMP粒子所需的高能量，也不再具備摧毀它們所需的高密度。1 [1 U* X k& {) _# p4 X/ M
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& z1 [# y2 q# }, h. q" G, r$ ktvb now,tvbnow,bttvb根據WIMP粒子的預期質量以及它們的相互作用強度（這決定了它們彼此湮滅的發生頻率），物理學家很容易就能計算出應該會有多少WIMP粒子被保留下來。令人驚訝的是，這樣計算出來的 WIMP粒子數量不多不少，在質量和相互作用強度的估算精度之內，剛好能夠解釋今天宇宙中的暗物質。如此不同尋常的吻合，被科學家稱為“WIMP巧合”（WIMP coincidence）。為解決粒子物理學領域的百年難題而被提出的粒子，就這樣乾淨利落地解釋了宇宙學的觀測事實。+ m' ^8 ~8 H- C9 a# y% i8 d' u% o
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