據(jù)國外媒體報道，我們所在宇宙的大部分是不可見的，我們只能通過它們對其他物質(zhì)施加的引力作用才能感知到它們的存在,。并且到目前為止,，科學(xué)家們對于這些看不見的物質(zhì)究竟是什么,，以及為何它們會構(gòu)成我們所在宇宙如此大的一部分幾乎仍然一無所知。
他們將這種物質(zhì)命名為“暗物質(zhì)”，它們占據(jù)了我們整個宇宙中物質(zhì)總量的4/5。那么這構(gòu)成宇宙大部分的神秘物質(zhì)究竟隱匿在何處,？科學(xué)家們何時才能找到它們？當(dāng)然,，首先要問的是,，我們一開始是如何知道暗物質(zhì)的存在的？
暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷程
暗物質(zhì)最早是在1930年代由瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn),，他對星系團質(zhì)量的計算數(shù)值顯示宇宙中有些質(zhì)量“缺失”了,。因此，不管構(gòu)成宇宙完整質(zhì)量的其他物質(zhì)是什么，這種物質(zhì)一定是不發(fā)光的,，也不會通過除引力之外的其他途徑與其他物質(zhì)之間發(fā)生相互作用,。
到了1970年代，美國女天文學(xué)家維拉·魯賓（Vera Rubin）發(fā)現(xiàn)星系內(nèi)恒星的旋轉(zhuǎn)速度不符合牛頓運動定律：她對仙女座大星系的觀測顯示,，處于星系內(nèi)部和邊緣的恒星,，它們圍繞星系核心公轉(zhuǎn)的速度似乎是完全一樣的，而按照正常的牛頓定律,，外側(cè)的恒星公轉(zhuǎn)速度應(yīng)該要比內(nèi)側(cè)的恒星更慢,。很顯然，在星系外側(cè)邊緣一定存在著未知的質(zhì)量,，某種我們無法看到的質(zhì)量體。
其他證據(jù)來自引力透鏡效應(yīng),，簡單來說這種效應(yīng)指的是大質(zhì)量天體的引力場導(dǎo)致周邊天體光線被彎曲的現(xiàn)象,。根據(jù)愛因斯坦所提出的廣義相對論，重力能夠彎曲時空,，就像當(dāng)你站在一個床墊上,，你站立的地方會向下凹陷一樣。因此即便光子本身是沒有質(zhì)量的,，但由于光線沿空間傳播,，空間本身的彎曲會導(dǎo)致光線的彎曲。觀測數(shù)據(jù)顯示,，在某些大型星系團周圍出現(xiàn)的強烈光線彎曲現(xiàn)象沒有辦法用這個星系團中可以觀測到的可見物質(zhì)的質(zhì)量來解釋,。換句話說，這些星系團的質(zhì)量比它們看上去大的太多了,。
然后是宇宙微波背景輻射（CMB）,，這是宇宙大爆炸的余暉，除此之外對于超新星的觀測也得到了相同的結(jié)論,。美國夏威夷大學(xué)物理學(xué)教授杰森·庫馬爾（Jason Kumar）表示：“宇宙微波背景輻射告訴我們的信息簡單來說就是宇宙在空間上基本是平坦的,。這種平坦的含義是，簡單來說,，如果你在宇宙中畫兩條穿越整個宇宙的線,，它們將永不相交，即便這兩條線的直徑達到數(shù)十億光年也仍然如此,。而在一個曲率較大的宇宙中,，這樣的兩條線將會在空間里的某處相交?！?/p>
研究人員隨后計算了宇宙中應(yīng)當(dāng)含有多少物質(zhì)的量,，才能保證宇宙是平坦的，并且能夠產(chǎn)生我們在宇宙中所觀察到的那么多數(shù)量的“常規(guī)物質(zhì)”（也稱“重子物質(zhì)”）。
庫馬爾說：“我問我自己,，理論計算顯示宇宙中應(yīng)當(dāng)存在的物質(zhì)的量與重子物質(zhì)的量相吻合嗎,？答案是否定的?！边@一差異性為宇宙學(xué)家和天文學(xué)家們提出了一個強烈的暗示,，表明宇宙中應(yīng)當(dāng)還存在大量我們看不到的暗物質(zhì)。這種物質(zhì)不會發(fā)光,，也不像質(zhì)子或者電子那樣具有電性,，因此一直到目前為止，暗物質(zhì)仍然沒有被直接探測到,。
庫馬爾說：“這就像一個謎團,。”此前科學(xué)家們已經(jīng)嘗試很多種方法試圖實現(xiàn)對暗物質(zhì)的探測,，或者是通過觀察它們與普通物質(zhì)之間的相互作用,，或者是搜尋理論上被認為可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子跡象。庫馬爾表示：“相關(guān)的實驗將會逐漸改善,，并且目前看來在取得進展方面還尚未遭遇任何明顯的困難,。”
暗物質(zhì)不可能是什么,？
關(guān)于暗物質(zhì)的本質(zhì),，此前已經(jīng)有過多種不同的理論。最早的理論顯得非常直白：科學(xué)家們認為暗物質(zhì)隱匿在所謂的“暈內(nèi)大質(zhì)量高密度天體”（MACHOs）中間,，比如中子星,、黑洞、褐矮星和流浪行星等等,。它們不會發(fā)光,，或者發(fā)光性很弱，因此在望遠鏡觀測看來,，這些天體往往是不可見的,。
然而，對于這類暈內(nèi)大質(zhì)量高密度天體扭曲背景星光效應(yīng)——也就是所謂的“微引力透鏡效應(yīng)”開展的觀測結(jié)果顯示,，這一效應(yīng)無法解釋存在于星系周圍的暗物質(zhì)規(guī)模,，甚至連其中的一小部分都不足以解釋。美國費米國家實驗室助理研究員丹·胡珀（Dan Hooper）表示：“暈內(nèi)大質(zhì)量高密度天體理論現(xiàn)在已經(jīng)基本上被排除了,?！?/p>
暗物質(zhì)應(yīng)該也不會是那些因為不發(fā)光而難以被望遠鏡觀測發(fā)現(xiàn)的低溫氣體云團。因為盡管自身并不發(fā)光,，但氣體云團會吸收來自遠方背景恒星和星系發(fā)出的光線并在更長的波段上發(fā)出輻射,，因此如果暗物質(zhì)實際上是氣體云團的話,，我們應(yīng)該會在紅外波段上觀測到強烈的信號。但實際上我們并未觀測到這樣的強烈信號,，因此這一可能性也就被排除了,。
暗物質(zhì)可能是什么？
“弱相互作用大質(zhì)量粒子”（WIMPs）理論是近年來最有希望解釋暗物質(zhì)本質(zhì)的候選理論之一,。WIMPs是質(zhì)量非常大的粒子,，其質(zhì)量值可以達到質(zhì)子的10~100倍。它們產(chǎn)生于宇宙大爆炸過程當(dāng)中,，盡管時至今日僅有很少一部分仍然殘留下來,。這類粒子會與常規(guī)物質(zhì)之間存在引力或弱核力的相互作用。質(zhì)量較大的WIMPs粒子在空間移動的速度更慢,，因而被稱作是“冷”（cold）的暗物質(zhì)候選體,；而那些質(zhì)量相比稍輕的WIMPs粒子，其在空間移動的速度更高,，因此被稱為是“溫”（warm）的暗物質(zhì)候選體,。
搜尋這種粒子的方式之一被稱為“直接探測實驗法”，比如在美國南達科塔州的一個礦井中正在進行的“大型地下氙實驗”（LUX）,，它使用大量的液氙對這類粒子進行探測。如果科學(xué)家們觀察到氙原子核出現(xiàn)無法解釋的晃動現(xiàn)象,，那就很有可能是遭受到了WIMPs粒子的撞擊,。而氙原子核晃動的幅度則能夠讓科學(xué)家們對WIMPs粒子的質(zhì)量給出估算。但是到目前為止,，LUX實驗還尚未得到任何結(jié)果,。
搜尋WIMPs粒子的另一種可能途徑則是加速器裝置。在加速器內(nèi)部,，原子核以光速相撞,，在此過程中產(chǎn)生的巨大能量將會轉(zhuǎn)化為其他類型的粒子，其中一些是科學(xué)家們此前從未觀測到過的,。但到目前為止,，粒子加速器并未探測到任何性質(zhì)上似乎與WIMPs粒子相接近的粒子信號。
不過盡管到目前為止似乎這兩種途徑都未能獲得突破,，但庫馬爾指出,，相關(guān)實驗上取得的進展已經(jīng)為這種理論上可能存在的暗物質(zhì)粒子可能的大小和質(zhì)量設(shè)定了限定值。LUX的靈敏度達到200 MeV,，這相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的1/5左右,。理論上它能夠觀測質(zhì)量最高達1 TeV的粒子，這已經(jīng)與某些類型的夸克相接近,。由于LUX裝置到目前位置仍然沒有觀測到任何信號,，這就意味著在此質(zhì)量（能量）范圍內(nèi)排除這種理論上存在的暗物質(zhì)粒子存在的可能性,。
庫馬爾表示，WIMPs粒子的質(zhì)量有可能會非常大,，如果情況的確如此,，這就意味著它們的數(shù)量不會特別多，因此它們中的單個粒子碰撞氙原子核的概率也就會很低,。
在理論物理學(xué)界還有另外一種針對暗物質(zhì)粒子的候選理論,，也就是所謂的“軸子”（axions）。這些亞原子粒子能夠在其發(fā)生湮滅反應(yīng),，或是衰變?yōu)槠渌Ｗ訒r使用間接方法探測到,，或者通過粒子加速器進行搜尋。但是同樣的,，到目前為止,，科學(xué)家們在這種理論粒子的搜尋方面還是一無所獲。
困難重重
由于對大質(zhì)量,，緩慢移動的“冷”候選粒子的探測,，比如WIMPs或軸子的探測遲遲未能獲得進展，一些科學(xué)家開始設(shè)法尋找那些更輕,、移動速度也更快的粒子,，也就是科學(xué)家們所稱“溫”的暗物質(zhì)粒子。而在科學(xué)家們利用錢德拉塞卡X射線空間望遠鏡在英仙座星系團內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種全新未知粒子的跡象之后,，科學(xué)界對于這一暗物質(zhì)模型的興趣被重新點燃了,。英仙座星系團是一個巨大的天體集群，距離地球大約2.5億光年,。該星系團會發(fā)出特定波長的X射線輻射,，但是在2014年，科學(xué)界們檢測到一種不同波長的輻射,，其背后可能對應(yīng)一種此前未知的輕質(zhì)量粒子,。
美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家特雷西·斯拉特爾（Tracy Slatyer）表示，如果暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量是小的,，那么科學(xué)家們要想實現(xiàn)對它們的直接探測將會困難重重,。斯拉特爾認為，組成暗物質(zhì)的可能是一類全新的粒子,。他說：“如果暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量低于1 GeV,，那么運用傳統(tǒng)實驗方法想要進行直接探測將會非常困難，因為其探測原理是觀察原子核出現(xiàn)的無法解釋的晃動信號,，但如果暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量遠小于受到撞擊的原子核質(zhì)量的話,，那么這樣的晃動信號將會非常微弱?！辟|(zhì)子,，也就是氫原子的原子核,，其質(zhì)量不會小于938 MeV，因此一個質(zhì)量僅有KeV量級的粒子,，其質(zhì)量值就比質(zhì)子小了1000倍,。斯拉特爾表示：“想象一下讓一個乒乓球去撞擊一個保齡球，你會發(fā)現(xiàn)保齡球根本就不會動,，這其中的道理是一樣的,。”
斯拉特爾表示,，當(dāng)前學(xué)界有很多的探討,，關(guān)于如果目前搜尋暗物質(zhì)的各種方法最后歸于失敗，那時候該怎么做,？他們已經(jīng)提出了各種各樣的初步設(shè)想,，從利用液氦的超流體性質(zhì)，到半導(dǎo)體技術(shù),，再到利用晶體中化學(xué)鍵的性質(zhì),，不一而足。
庫馬爾表示,，暗物質(zhì)之所以顯得如此神秘,，其中一個很重要的原因就在于科學(xué)家們認為他們了解，至少在一定程度上了解宇宙大爆炸時期的核合成過程,，也就是宇宙中物質(zhì)產(chǎn)生的機制,。此前成功預(yù)言了希格斯-玻色子存在的粒子物理學(xué)標準模型到目前未知一直都十分成功，因此除非所有人都犯了某種根本性錯誤,，否則很難解釋為何到目前為止全世界仍然沒有能夠探測到暗物質(zhì)粒子。
舉例而言,，如果暗物質(zhì)粒子與現(xiàn)有模型預(yù)測的結(jié)果非常不同,，那么一種可能便是我們的加速器將很難探測到它們的存在。類似大型強子對撞機（LHC）這樣的裝置更擅長搜尋具有強核力相互作用的物質(zhì),，因為它們會衰變成為其他類型的粒子,。如果暗物質(zhì)粒子也具有類似性質(zhì)，那么像大型強子對撞機這樣的設(shè)備就有希望能夠找到它的蹤跡,，但如果不是這樣,，那么情況就會完全不同了。