上穷碧落下黄泉
作者：苗千
( NASA拍摄雷电从地球向太空发射反物质图片 )
美国科学家卡尔·萨根（Carl.E.Sagan）为了向他的朋友说明“如无需要，勿增实体”的奥卡姆剃刀原理（Ockham's Razor），曾经举例说，在他的车库里有一条正在喷火的龙，不过这条龙是隐身的，喷出的火也隐形，如此也就没有任何仪器可以探测得到，这样一条龙和不存在并没有区别。不过，也许真的可以造出一条这样的龙，它不光隐形，还能穿透一切，它存在的证据就是由它的质量产生的引力场——如果它是由暗物质构成的话。
美国“奋进号”航天飞机的最后一次飞行正是为了搜寻这种暗物质。这个代号为STS-134、原定在2011年4月29日起飞、为期14天的飞行计划因为航天飞机的设备故障再一次被推迟了。“600多名来自16个国家的物理学家们花了17年的时间才走到这一步。我们反复检查一切，确保它能够正常发射。”负责这个项目的首席科学家、诺贝尔物理奖得主丁肇中说。这一次不光是“奋进号”航天飞机的最后一次飞行，如果美国国会不能批准原定今年6月份进行的“亚特兰蒂斯号”航天飞机的飞行，那么这也将是美国最后一次航天飞机的飞行，它标志着美国航天飞机时代的结束。
这虽然是一个时代的结束，却也意味着另一个时代的开始。这次“奋进号”航天飞机要把一个名为阿尔法频谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，简称AMS）的巨大探测器送到空间站。这个花费了20亿美元、6900公斤重，由瑞士日内瓦大学和苏黎世工学院联合制造，用来探测宇宙高能粒子射线的巨大机器，标志了人类对宇宙的探索进入到了一个新时代。这个探测器在空间站中主要是为了探测宇宙空间中的反物质和暗物质，以此来研究宇宙的起源。丁肇中说：“除了为了探索已有的谜团，这也是人类首次长时间地研究宇宙射线。我们进入了一个不知道会发现什么的新时代。”宇宙射线的能量可能是人类粒子加速器中可以产生的粒子能量的上百万倍，因此它也更能够揭示宇宙的奥秘。对于带电粒子来说，它们必须拥有质量来承载电荷，这些粒子极容易在到达地球前被大气层吸收，因此人类只能在太空中研究宇宙射线。保存带电粒子需要强磁场的作用，因此阿尔法频谱仪带有一块重达1900公斤的磁体来产生强磁场。科学家们本来计划用超导体来产生更强的磁场，但是这需要用液氦来维持超导体的性能。阿尔法频谱仪中只能装足够维持3年的液氦，而这块磁体则可以用到2020年，虽然它与超导磁体相比有30%的灵敏度差异。
有些物理学的实验听起来非常复杂，但是其中蕴含的思想却非常简单：如果整个宇宙都是源于一次真空中的宇宙大爆炸，那么对应于带负电的电子就会有等量的带正电的正电子，对应于带正电的质子也该有带负电的反质子，这样宇宙的电荷才会平衡。正电子与反质子被称为反物质，然而人类至今发现的反物质仍然微乎其微（幸好如此我们才能存在，否则反物质将与物质发生湮灭而转化为能量），反物质都聚集在哪里，是否存在反物质星系，一直是科学家们关心的问题。找到反物质有多难呢？丁肇中形象地描绘说：“在休斯敦的雨季里，也许每秒钟会落下100亿滴雨，要从中找出那个颜色不同的雨滴——找到反物质就像是这么难！”人们对暗物质的问题可能更加好奇一些，说它“暗”并不准确，因为它不发光也不反射光，不发生任何电磁作用，我们根本看不到它，我们也不知道它是由什么构成的。
有时候人们会觉得一切看起来都很正常，但就是有些地方总不对劲儿，宇宙学家也会有这种感觉。瑞士的天体物理学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwiky）在上世纪30年代观测宇宙星系的时候发现，宇宙中星系间的引力并不足以维持整个星系团聚在一起。根据计算，一些旋转星系中，外围的高速旋转的天体早就该被甩出去——而这和实际观测到的现象完全相反，这些旋转星系的天体始终围绕着一个核心不散开，说明星系的核心存在着巨大的质量。因此他首次提出了“暗物质”的存在，就是说在星系中存在着我们观测不到、但有巨大质量的物质。只是因为弗里茨·兹维基的性格太过怪异，以至于他在科学界没有什么朋友，所以当时也没有太多人相信他的理论。直到上世纪70年代，越来越多的宇宙观测结果才证实了弗里茨·兹维基的猜想。是的，宇宙中存在着大量的暗物质和暗能量，它的质量甚至比我们可以观测到的所有物质还要大得多。
( 卡尔·萨根 )
因为看不到，所以一直有很多人质疑暗物质的存在。有人认为这只是宇宙时空的一种属性而已，不是真实存在的物质；也有人认为是人们用来理解宇宙的广义相对论有错误，也许在大尺度上广义相对论是不准确的。终于，越来越多的证据证实暗物质的存在。人类虽然根本没法看到这种不发光也不吸收或反射光的物质，但是看不到不代表探测不到，令暗物质现身的是它的质量。光线在引力场中会发生弯曲，因为这个现象类似于光线通过一个透镜，所以这种现象也被俗称为“引力透镜”。人类可以通过光线在引力场中的弯曲程度来计算宇宙中天体的质量。正是通过引力透镜，人们计算出普通物质和暗物质在宇宙中的质量，其中我们可以观测到的普通物质的质量只占4%～5%，而暗物质则大约占到了23%（剩下的部分被称为暗能量，它是宇宙膨胀的原因）。正是由于暗物质决定了整个宇宙的构造，是暗物质的巨大质量产生的引力维系星系聚在一起。2007年，哈勃太空望远镜在Cl 0024 +17星系团中可能“观测”到了环状的暗物质，这也是目前证明暗物质存在的有力证据。科学家们设想暗物质粒子之间的碰撞可能会产生电子、正电子、γ射线和中微子，阿尔法频谱仪正是用来探测这些射线，以此来间接确定暗物质的构成。
即便人们有越来越多的证据证明暗物质的存在，人们仍然不知道暗物质的构成。目前被研究得最多的，也是最被看好的构成暗物质的是弱相互作用重离子（Weak Interacting Massive Particle，简称WIMP）。WIMP是由超对称理论预言的一种粒子，它有质量，不参与电磁作用，但是参与弱相互作用。它符合目前科学家们针对暗物质所设计的模型：质量大，而且可以发生弱相互作用，可以与原子核发生碰撞（因为原子核本身很小，所以发生这种碰撞的概率也很小）。最轻的一种WIMP叫做“渺中子”（Neutralino），是人们目前认为最有可能构成暗物质的粒子。针对WIMP，人们对它进行的是直接的探测。与阿尔法频谱仪要被发射到遥远的太空中恰恰相反，探测WIMP则是要在地球最深的地底下进行。除了大气层的保护，人们还要利用地壳的岩石来过滤掉绝大部分的宇宙射线，只有这样才可以保证，唯有穿透一切的暗物质能到达设在地球深处的暗物质探测器中。暗物质有可能和原子核发生碰撞，也就会因此传递能量。原子可能会被电离、激发，或者产生晶格震动——这些都可以被探测到。这些地下实验室因此也就多半选择在废弃的矿井或是隧道深处修建。目前国际上有十几个这样的地下实验室，中国也在2010年在地下2400米的锦屏极深地下暗物质实验室，开始了暗物质的探测，这是目前世界上最深的地下实验室。根据在日内瓦的大型重子对撞机（LHC）的最新实验结果，也许超对称理论并不成立，那么渺中子可能只是一种并不存在的粒子。科学家们还设想出另外一种粒子叫做轴子（Axion），它也可能是构成暗物质的基本粒子，它并非出自超对称理论，也许能给人们带来更多的希望。可是至今为止，无论是天上地下，关于暗物质的探测仍然也只有渺渺的几个似是而非的结果。人们为了研究暗物质，真可谓是“上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见”。
( NASA拍摄雷电从地球向太空发射反物质图片 )
一个多世纪以前，开尔文勋爵说，为了证明以太漂移的迈克尔孙－莫雷实验及黑体辐射实验是“物理学上空的两块乌云”，结果这两块乌云降下的暴风雨摧毁了整个古典物理学，并且催生出狭义相对论和量子力学。如今，人们也称暗物质为当代物理学上空的“一块乌云”，尽管人们现在对暗物质还没有太多的了解。但是毫无疑问，对于暗物质越来越深的研究将会极大地改变人们的宇宙观，并且推动新物理学的诞生。
科学在不断拓展疆域，也许会有一天，暗物质也会被纳入新物理学的体系中。但是现在，暗物质如同它的名字一样显得神秘而且浪漫。在科学尚且无法触及的领域，是想象的无限空间。也许阿拉伯诗人阿多尼斯的诗，最能恰当地描述现在人们对于暗物质的感觉：
当我把眼睛沉入你的眼睛
我瞥见幽深的黎明
我看到古老的昨天
看到我不能领悟的一切
我感到宇宙正在流动
在你的眼睛和我之间 ■（文 / 苗千） 黄泉