預言暗物質的存在，在近一個世紀前是轟動科學界的一件大事，曾讓許多天文學家眉飛色舞。但是，最近幾年，他們越來越著急了。

　　他們?yōu)槭裁粗��?一句話，這關乎他們的信譽。

　　你瞧，我們本來確信自己活在一個陽光燦爛的世界里，可是有一天他們跑來信誓旦旦地告訴我們，在宇宙中還存在大量看不見、摸不著、感覺不到的東西，也就是他們所稱的暗物質。而且據(jù)他們說，暗物質是普通的可見物質的5倍還多。這就好比有人來告訴你，這個世界其實由幽靈主宰，這里的幽靈比活人還多。這能不讓你心里一驚么?

　　既然有這么多的暗物質，那他們好歹拿個出來給我們看看呀。這正是著急的所在，因為他們已經搜索了差不多半個世紀，迄今連一點影兒都沒找到。

　　既然沒找到，那就繼續(xù)吧。沒錯，他們最近又有了一個新的點子：通過直接探測暗物質的引力來揭示它們的存在。

　　暗物質目前唯一確定的性質

　　聽我這么一說，熟知暗物質歷史的你一定會說：這算什么新點子!人盡皆知，暗物質跟普通物質只有引力作用，我們本來就只能通過引力來探測它們嘛!

　　這話自然沒錯。不過，天文學家為什么先前沒想到“這一點”，個中的原委卻一言難盡。

　　暗物質最早是出于天文學上的需要提出來的。因為天文學家發(fā)現(xiàn)，很多星系邊緣的恒星運動速度很快，可是奇怪的是，它們居然沒有逃離星系。

　　這話怎么說呢?我們知道，物體做圓周運動，需要向心力;速度越快，需要的向心力也越大。這些恒星運動那么快，需要的向心力一定很大。那么，是什么天體產生的引力，使它們沒能飛出去呢?

　　我們知道，引力大小跟兩個天體質量的乘積成正比。能把星系邊緣的恒星控制住的，差不多是整個星系的質量�？墒钱斕煳膶W家根據(jù)星系中的發(fā)光天體加上盤踞中心的黑洞估算出該星系的質量時，他們發(fā)現(xiàn)，這點質量遠遠不夠把邊緣的恒星控制住。這就迫使他們提出，星系中還存在大量不發(fā)光的物質，正是這些物質產生的引力，使這些星系邊緣的恒星不至于逃逸。這些物質就是所謂的暗物質。注意，這里所謂的“發(fā)光”，不僅指發(fā)可見光，也包括散發(fā)紫外線、無線電波等其他電磁波。總之一句話，暗物質不會發(fā)射電磁波。

　　電磁波是電磁作用的結果，所以這又意味著暗物質之間以及它跟普通物質之間，都沒有電磁作用，讓我們所有的望遠鏡都鞭長莫及。

　　在普通物質中，強核力是為了克服電磁力而存在的。譬如，氧原子核由8個質子和8個中子組成。8個質子都帶正電荷，距離又靠得非常近，如果沒有強核力把它們“捏”在一起，它們早就因靜電排斥各自逃散了。現(xiàn)在，暗物質沒有電磁力作用，對于它，強核力似乎也失去了存在的理由。所以，一般認為暗物質之間以及暗物質與普通物質之間，也不存在強核力作用。至于弱核力是否存在，暫時還無法確定(下面你將會看到，我們以往探測暗物質正是基于它們之間存在弱核力這一假設的)。

　　所以，我們對暗物質的性質迄今唯一可以確定的是：它們之間以及它與普通物質之間，存在引力作用。

　　以往是如何探測暗物質的

　　說到這里，你也許會說：既然如此，那我們就去探測它的引力好了。可是說得輕巧，要知道，引力是一種極其微弱的作用力。

　　說引力是一種微弱的作用力，似乎可笑。從高樓上掉下一個花盆，可以把停在下面的小車砸穿。這不就是地球引力惹的禍嗎，怎么算微弱呢?

　　這當然是事實，但強弱是相對而言的。前面說過，引力大小跟兩個天體質量的乘積成正比，花盆質量不大，可地球質量大呀。如果引力大，那我們人與人就會碰在一起，車與車碰在一起，我們還怎么生活?所以幸虧引力小。在物理學家看來，讓兩個質子保持在同樣的距離，那么它們之間的靜電力比它們之間的引力，要高出40個數(shù)量級。40個數(shù)量級是什么概念?就是1后面添加40個零!

　　引力的強度是如此微弱，所以要去探測我們身邊暗物質的引力，幾乎不可能。它們的引力，也只能在星系量級的天體中，才能體現(xiàn)出來。

　　那么，以往人們是怎么探測的暗物質的呢?這就要涉足粒子物理學了。

　　物理學上認為，所有物質都是由粒子組成的。暗物質也不例外，因此應該存在暗物質粒子。可是在粒子物理學的標準模型中，能滿足暗物質性質的，只有一種粒子，那就是中微子。中微子不帶電，所以沒有電磁作用。但中微子有質量，所以必定受引力作用。中微子與普通物質有弱核力作用，而前面提到，暗物質并不排斥弱核力。

　　但遺憾的是，中微子質量太輕，似乎難以擔當暗物質占宇宙物質總質量的85%的重任。此外，它們跑得太快，太難管束，似乎難以把它們束縛在星系里。

　　這樣，人們就把希望寄托在大質量弱相互作用粒子(WIMP)身上。WIMP是一種假想的粒子，是超對稱理論預言的。超對稱理論是一門很高深的理論，你只要知道它是目前粒子物理學標準模型的擴展版就行了。

　　WIMP的質量預計在質子的50到幾千倍之間，并且它不僅通過引力，也通過弱核力與普通物質作用。弱核力雖然稱“弱”，但其實比電磁力還強得多，這就為暗物質提供了一種更容易探測的方法：當暗物質遇到普通物質時，或許會像中微子一樣，發(fā)生弱核反應，從而暴露其蹤跡。

　　然而令人沮喪的是，迄今30多年過去了，我們依然沒有發(fā)現(xiàn)WIMP。更要命的是，最近連預言WIMP的超對稱理論也岌岌可危了。因為超對稱理論還預言了其他一些粒子，但歐洲大型強子對撞機經過一次次升級之后，能量已經足夠高，按理應該能碰撞出一部分這些粒子，但它依然一無所獲。所以，現(xiàn)在越來越多的懷疑目光落在了超對稱理論頭上。

　　通過引力探測暗物質

　　在這種情況下，美國馬里蘭大學的理論物理學家丹尼爾·卡尼和他的同事提出，我們應該“重拾初心”：既然真正確定暗物質性質的事情只有一件，即它和普通物質之間存在引力作用，那我們?yōu)楹尾恢苯尤ヌ綔y它的引力呢?

　　咦!前面不是說暗物質的引力太弱了嗎?沒錯，但時移勢易，今天我們最好的設備已經能夠探測極其微小的力了，小到10-21牛頓!1牛頓大約相當于一個蘋果的重量，而10-21牛頓大約是一條RNA的重量。這一精度甚至超越了探測引力波的激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)的能力。而你知道LIGO的精度有多高嗎?在從地球到太陽這么長的距離內，哪怕只發(fā)生一個質子直徑那么小的距離變化，都能探測出來!

　　能敏銳地感覺極微小的力的傳感器有多種版本。卡尼他們青睞的是這樣一個版本：用幾束激光將一個直徑幾百納米的玻璃珠“夾”起來，在超高真空中保持微妙的平衡，并將其冷卻到接近絕對零度。當它身邊有暗物質飄過時，暗物質對它的引力將會使其失去平衡。

　　當然，一個暗物質粒子的引力還是太小了，至少要一個暗物質團塊。研究人員的計算表明，假如有一顆細鹽粒般大小(質量可以小到百萬分之一克)的暗物質團塊碰巧在距離玻璃珠不到一毫米的空間飛過，我們就能觀測到珠子的振動。

　　這聽起來很簡單，不過成為現(xiàn)實之前，仍有一些障礙需要跨越。首先，你如何排除周圍環(huán)境的干擾呢?比如說，電梯在實驗大樓升降造成的地面震動，你如何排除?

　　有一個變通的辦法。當?shù)厍蚝驼麄�太陽系以每小時約80萬千米的速度圍繞銀河系中心旋轉時，地球或許正穿過一片暗物質的“叢林”�？�尼和他的同事證明，如果你將許多傳感器安排在一個有規(guī)律的三維網格中，當一個暗物質團塊穿過時，它們會以一種協(xié)調的方式振動。請想象一下你穿過一片茂密的灌木叢的情景。當你鉆進灌木叢的時候，前方的灌木往兩邊倒，在你身后的則又迅速地合攏來。把你自己想象成暗物質團塊，把這些灌木想象成傳感器，那么傳感器陣列就以類似的方式協(xié)調振動，而來自周圍環(huán)境的干擾產生的振動是不會這么有規(guī)律的。

　　然而，問題就在這里。鑒于計算出的暗物質的密度，在1立方米大小的空間需要布置100萬到10億個超敏感的傳感器，而目前，一個傳感器的成本大約是100萬美元。這真是一個燒錢的活，需要成本大幅度下降之后才可行。

　　所以，目前科學家們只是在做前期的準備工作。譬如，卡尼和其他幾位科學家正通力合作，希望未來一年內先建造由大約10個傳感器組成的一個簡單陣列，為以后建造更大的陣列積累經驗。