http://tw.news.yahoo.com/marticle/url/d/a/110108/77/2khk1.html 有个具有各种粒子与作用力、多采多姿的「暗宇宙」，默默地和我们的宇宙交织在一起？ 重点提要 ■科学家认为宇宙里充斥着某种不明型态的物质－－暗物质，主要原因有两个：除了因为 恒星、星系与气体云的运动，好似遭受隐形物质的重力拉扯，也因为在辐射等过程中出现 的谜团，都可藉由假设宇宙中存在着迄今仍未知的粒子来解决。 ■一般认为暗物质的主 要成份是「弱作用大质量粒子」（weakly interacting massive particle, WIMP），那 是一种几乎不与可见世界作用的粒子，平淡无趣是其主要特徵。 ■但事实上暗物质是否 可能拥有丰富的内在世界呢？努力想了解暗物质的粒子物理学家认为，它或许能够透过各 种形式的力来作用，包括一种我们根本看不见的光。 1846年9月23日，德国的柏林天文台台长加勒（Johann Gottfried Galle）收到了一封改 变天文学发展史的信件。那封信寄自法国天文学家勒威耶（Urbain Le Verrier），他花 了两年研究天王星运动，认为天王星的路径无法用已知的重力效应来解释，因此应该存在 一个尚未观测到的天体，其重力牵引扰动了天王星的轨道，才能精确解释观测到的异常结 果。当天晚上，加勒将望远镜对着勒威耶指出的方向，竟发现了海王星。 今天，类似的情节正在现代宇宙学的舞台上演：天文学家观测到异常的宇宙运动，推论应 有新物质存在，并眺望苍穹以追索其踪影。我们看见恒星与星系以不寻常的方式运动，正 如同天王星的角色；而就像海王星所扮演的角色，我们推论有迄今尚未观测到的新物质存 在，暂且称之为暗物质与暗能量。我们可以从观测到的异常型态得到它们的一些基本特性 。暗物质似乎是一片由不可见粒子构成的汪洋，不平均地充斥於太空；暗能量则均匀散布 ，好像被织进空间结构本体一样。虽然科学家仍无法重复加勒的壮举，以仪器指向太空， 瞥见这些隐形演员的身影，但像在粒子侦测器内出现的光点这类诱人的端倪，则还在持续 累积中。 因为作用於天王星的隐晦力量而被发现的海王星，如今已经被证实是一个迷人的世界。暗 物质与暗能量是否也会如此呢？科学家越来越倾向认为暗物质并不仅仅是为了解释可见物 质的运动而设计出来的物质，它可能是宇宙不为人知的一面，拥有丰富的内在，或许是个 名副其实的粒子动物园，以新颖的自然力交互作用，并且与我们的宇宙整个交织在一起。 以往认为暗物质与暗能量是宇宙里最孤僻的物质，如今人们已不再坚持这样的想法。1930 年代天文学家首次推论有暗物质的存在，当时他们认为它是惰性的。天文观测显示它与一 般物质的比例是6:1，星系与星系团都嵌在暗物质巨球中，称为「晕」。天文学家推测如 此大量的物质要避免被直接侦测到，它势必是由鲜少与一般物质、甚至同类粒子作用的物 质构成，而唯一的作用是为发光物质提供重力支柱。 天文学家认为晕形成於早期宇宙，吸引了可进行各种作用的一般物质，并且发展成复杂的 结构，而迟钝的暗物质则维持原始的状态。至於暗能量的作用似乎仅止於加速宇宙的膨胀 ，现有的证据指出，在宇宙的整个历史中，它始终保持不变。 对原子与次原子世界内在运作的详细研究虽然不属於天文学领域，却使暗物质的前景更有 趣了。粒子物理学家一向习惯从已知物质的行为中，寻找未知型态物质的蛛丝马迹，而他 们观察到的证据向来和宇宙的运动完全无关。 从粒子物理看见暗物质 暗物质的想法起源於1900年代早期关於放射性β衰变的发现，当时义大利理论物理学家费 米（Enrico Fermi）假设有新的自然作用力与传递该作用力的粒子，导致原子核衰变。这 种新作用力类似电磁力，而新粒子类似光子，但本质上是不同的。光子因不具质量而可高 速运动，但费米认为新粒子必须很重，它们的质量必须限制其作用范围，以便解释为何只 有原子核会分裂，而其他东西则不受影响。要能复制出观测到的放射性同位素之半衰期， 它们的质量必须非常大——质子质量的100倍左右，如果以粒子物理的标准单位来计算， 大约是1000亿电子伏特。 我们现在将这种新作用力称为弱核力，而传递新作用力的粒子是在1980年代发现的W与Z粒 子。它们虽然不是暗物质，但其性质暗示了暗物质的特性。首先，它们不应如此之重，它 们的大质量暗示有某种不为人知的粒子促使它们承担质量，就像你身旁的朋友怂恿你再多 吃一块糕饼一样。大型强子对撞机的目标之一就是寻找那些粒子，它们的质量应与W和Z粒 子相当。的确，物理学家认为许多类型的粒子正等着被发现——在超对称机制下，每一种 已知的粒子都应有与之配对的粒子存在。 这些假设的粒子包括了某种统称为「弱作用大质量粒子」（WIMP）的物质，这种粒子只和 弱核力作用。因为不与主宰日常生活世界的电磁力作用，它们完全不可见，并且对一般粒 子鲜少有直接的效应。所以，它们是暗物质的最佳候选者。 但它们是否真的能够解释暗物质，取决於它们的数量，这是这项粒子物理理论真正引人注 目之处。就像其他种类的粒子一样，WIMP也诞生於狂暴的大霹雳。当时的高能粒子碰撞既 可产生、也能湮灭WIMP，使宇宙中一直维持有WIMP存在。WIMP的数量随时间改变，取决於 由宇宙膨胀所驱动的两项效应。第一项是太初原汤的冷却效应，降低了可供制造WIMP的能 量，因而缩减了它们的数量。第二项效应是粒子稀释，将碰撞并湮灭WIMP的频率逐渐减低 到不再发生为止，这大约发生於大霹雳後10奈秒，WIMP的数量就此冻结。宇宙不再有足够 的能量产生WIMP，物质的密度也不再足以湮灭它们。 有了WIMP的预期质量，以及支配它们湮灭频率的作用强度之後，物理学家便能轻易计算出 留存下来的WIMP数量。令人讶异的是，在预估质量与作用强度的误差范围内，此数目竟与 解释暗物质所需的数量吻合。这项惊人的一致性称为「WIMP巧合」，由粒子物理的世纪谜 团所诱发的粒子，漂亮地解释了宇宙学的观测。 同样的线索也指出WIMP应该是不怎麽活跃的迟钝粒子。概估一下，从你开始阅读本文到现 在，已有将近10亿颗这种粒子通过你的身体了，而除非你真是鸿运当头，否则根本不会发 生任何可察觉的效应，每年可能只有一颗WIMP会与你身体细胞内的原子碰撞而积存入极少 的能量。为了侦测这类事件，物理学家以粒子侦测器长期监测体积庞大的液体等物质，天 文学家也在星系内搜寻突发的大量辐射释放事件，因为这可能代表WIMP环绕时罕见的碰撞 与湮灭。第三种找寻WIMP的方式，则是设法在实验室里合成它们。 【欲阅读完整的丰富内容，请参阅科学人2011年第107期1月号】 --

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