人类宇宙观即将到来的再次颠覆——科学界“暗物质”探寻始末

（图片来源于Mashable）

在意大利，一支科学考察队伍正在意大利的山里组装一台仪器。与此同时，在美国南达科他州黑山的一座废弃金矿下面，另一支科学团队在做着同样的事情。同在黑暗笼罩的地方，他们也有着同一个目标——捕捉到一丝微弱的亮光和自由电子，以证明暗物质的存在。

虽然至今为止，尚未有实例证明暗物质的存在，但不少科学家仍然相信，它比“普通”物质要丰富得多。在这些科学家看来，由原子构成、组成了物质世界的“重子物质”，只占宇宙的不到5%，暗物质占25%，剩下的则是暗能量——一种可以排斥重力神秘的力量。部分理论证明，暗能量是宇宙加速膨胀的原因。

或许很多人有疑问，找到暗物质又有什么用呢?确认暗物质的存在，将改变我们对宇宙基本构造的理解，并提供宇宙如何诞生和如何变化的重要线索。

正因如此，在罗马以南75英里处的格兰萨索山脉下，出现了世界上最大的地下实验室，实验室内，暗物质探测器“暗面-20k”正在建造。为此，大量科学家和工程师齐聚此地。休斯顿大学助理教授伦肖(Andrew Renshaw)称，在小城里，随便进入一家咖啡馆，都可能偶遇一位科学家。

向西横跨小半个地球，在南达科他州距离拉什莫尔山约1小时车程的地方，名为LUX-ZEPLIN(LZ)的暗物质探测器同样在桑福德地下研究中建造着。研究人员需要搭乘笼子一样的简陋电梯，沿着矿井进入实验室。安全帽是必备的，除此之外，他们还要随身携带“自救器”呼吸装置，以防发生火灾。

研究人员之一的马里兰大学物理学副教授、LZ项目发言人霍尔(Carter Hall)表示：“暗物质存在是十拿九稳的，我对此毫不怀疑。”

然而，专业人员的信心，丝毫无法缓解民众一个最主要的疑惑：既然我们从未探测到暗物质粒子，那么为什么你们如此确定它们的存在?

这个问题要从牛顿说起。牛顿提出，引力是物体间的作用力。利用他的公式，科学家绘制出了地球和月球的轨道。但是，随着人类的视野扩展，科学家们发现，当黑洞之类的因素出现后，牛顿的公式失效了。之后，爱因斯坦出现了。在他的广义相对论中，引力不是一种力，而是空间和时间的固有属性，可以被质量大的物体扭曲。

相对论解决了当时的问题，并在很长一段时间内在物理学界畅通无阻。直到20世纪70年代，天体物理学家鲁宾(Vera Rubin)发现，螺旋星系边缘的恒星与靠近星系中心的恒星以同样的速度运动时，相对论也失效了。

在较小的宇宙空间中，比如太阳系中，引力是如何作用的?可以看到，太阳系的第1颗行星水星绕太阳公转的速度，比第八颗行星海王星要快得多，照此推论，环绕星系中心的恒星同样应该如此。

既然星系边缘的恒星与靠近中心的恒星以同样的速度运动，那么必然有一种看不见的物质，为其提供了另外的力。这就是科学家们始终相信暗物质存在的原因。

更让科学界振奋的是，因为新方法的应用，人类可能要改写一直无法探寻到暗物质的历史。据悉，“暗面-20k”将使用液态氩，LZ将使用液态氙作为试验材料。它们的方法在原理上是一致的：等待暗物质粒子撞击相应物质原子核。氩和氙都是十分稳定的元素，在专门费力建造的研究室中，只有暗物质有引起其反应的可能。

2台探测器都配备了专门的传感器，用来捕捉暗物质粒子与原子碰撞时产生的光和释放的电子。

霍尔介绍说：“你可以把原子核想象成一个台球，然后想象它突然被撞到了。虽然我们看不到撞到它的东西，但是我们可以看到台球的反冲。”

为了等到那一刻，全球科学界已经连续数十年投入重金。“暗面-20k”和LZ都已经分别是相关项目的第2代仪器。与此同时，我国也发射了自己“悟空”号暗物质粒子探测卫星，和国际空间站上的阿尔法磁谱仪一起，在太空中寻找暗物质的迹象。它们都是为了寻找弱相互作用大质量粒子(WIMPS)而设计的，这种理论粒子比普通物质的粒子要大得多、重得多。

华盛顿大学的Axion暗物质实验器(ADMX)则另辟蹊径，寻找起了另一种可能的暗物质——低质量轴子。

尽管多年来，新闻界在相关问题上常常出现夸张的标题，但迄今为止，科学界的大量暗物质实验——包括ArDM、DEAP、达尔文(DARWIN)、XMASS和毕加索(PICASSO)——都空手而归了。一些物理学家认为它根本不存在，有人则提出了替代的引力模型。

事实上，科学界也无法否认“暗物质根本不存在”的观点。因为，“脑补”出某种物质来解决问题，在人类科学史上并非第一次了。最经典的例子是“以太”学说在18世纪的流行，当时的许多科学家，光波在宇宙中穿梭需要承载物质，“以太”就是这种物质。随着科学发展，“以太”学说最终被推翻。

当然，我们的工具和物理和天文学知识现在要先进得多。但仍有可能我们对暗物质知之甚少，我们正在以完全错误的方式寻找它。

比如，就算我们建造出了比以前更大、更先进的仪器，也不一定能得出成果。科学家将“暗面-20k”和LZ建在地下，就是为了避免宇宙射线等外物对其造成冲击，然而，即使在坚硬的岩石下，氡和自由中子也几乎到处都是，难免对试验造成干扰。

科学家们的应对办法是，将LZ封装在一个完全阻塞自由中子的探测器中，“暗面-20k”则配备了低辐射的新型光敏传感器。

此外，另一个可能提高试验成功率的方法是增加仪器尺寸，因为仪器里的试验物质越多，和暗物质随机碰撞的可能性越大。“暗面-20k”较上一代“暗面-50”大10倍，这让它能容纳400倍的氩。LZ的氙含量是LUX的25倍。

现在已经到了暴风雨前的宁静时期。很快，仪器的建造速度将会加快，来自世界各地的研究人员也将集中飞往意大利和南达科他州。