暗物质研究进展

宇宙中大约有 85％ 的物质是“暗物质”——无法直接观察到的神秘物质，却会对宇宙产生巨大影响。 这些奇怪的东西到底是什么？它与我们的存在有什么关系？ 天体物理学家里莎·韦克斯勒（Risa Wechsler）探索了为什么暗物质可能是理解宇宙形成的关键因素，并分享了世界各地实验室的物理学家如何提出了创造性的研究方法。

如果世界发生一些变化，

会有什么不同？

如果你出生在 5000 年前，

而不是现在，你的生活

会发生什么变化？

如果各个大洲在不同的维度，

历史会发生什么变化？

或者说如果太阳的体积
比现在大 10 %，

太阳系的生命会怎样演化？

研究这种类型的问题

是我的工作，

只不过，我研究的是整个宇宙。

我在电脑中做了一些宇宙的模型。

这些数字宇宙模型
有着不同的起始时间，

和不同数量与种类的材料，

然后我拿它们
与我们的宇宙相比较，

想看看我们宇宙的主要成分，
以及宇宙是怎样发展与进化的。

这个用测量天空来测试模型的过程

教会了我们很多
关于我们的宇宙的知识。

我们所发现的最奇怪的事情之一，

就是宇宙中的大多数物质

是由不同于构成你我的东西组成的。

但是如果没有它，

我们所知道的宇宙就不会存在。

我们能用显微镜看见的所有物质

只占全宇宙所有物质的 15%，

余下 85 % 的物质

不会吸收或发射光线，

我们不能用肉眼观察它们，

也不能用无线电波、微波
或其他任何的可见光

探测它们。

但我们知道它们就在那里，

因为它们影响了
我们所能看见的世界。

这就像

你想用一张在夜里

从太空中拍摄的照片，

来给我们的地球画一张
包含所有东西的地图。

你能够从有亮光的地方
得到一些线索，

但还有很多你看不见的东西。

从人群到山脉等等。

你必须通过有限的线索
去推测那是什么。

我们称这些看不见的东西为
“暗物质”。

有很多人都听说过暗物质，

但即使你听说过，

它对你来说也很有可能是抽象的，

遥远的，甚至跟你的生活完全无关。

有趣的是，

暗物质就在我们身旁，

很有可能就在这儿。

事实上，你坐在这里的时候，

暗物质粒子

很可能正在穿过你的身体。

因为我们在地球上，

地球围着太阳转，

太阳又以超过 80 万公里的时速

穿过银河系。

但是暗物质并不会撞向我们，

它们只会穿过我们。

那么我们怎么去研究它呢？

它是什么？

它与我们的存在又有什么关系？

为了了解我们是怎么来的，

首先要了解银河系的起源。

这是今天的银河系的一张照片，

它在 100 亿年前

或者 100 亿年以后会是什么样子？

我们已经探测到的

其他数亿个星系

又是怎样的呢？

如果它们是由其他物质组成，

由更多或更少的物质组成，

那么它们的历史又会有什么不同？

有意思的是，这些宇宙模型

可以让我们测试这些可能性。

让我们回到宇诞生的最初——

宇宙大爆炸后不到一秒的时刻。

在这个时刻，

什么物质也没有，

宇宙膨胀得非常迅速。

量子力学告诉我们，

物质无时无刻不在

被创造与毁灭。

这时候宇宙膨胀得太快，

以至于所创造的物质
来不及被毁灭。

因此我们认为所有的物质
都是在这个时候创造的，

包括暗物质

和构成了你我的普通物质。

现在，让我们往后退一步，

来到物质被创造之后的时间，

在质子与中子形成以后，

在氢元素形成以后，

大约在大爆炸发生的 40 万年以后。

那时的宇宙温度高，密度大，很平滑，

但又不是非常平滑。

这张由普朗克天文望远镜拍摄的照片

展示了宇宙中

所有方向上的温度。

我们可以看到，

有些地方要比其它地方温度更高、

密度更大。

图片中的这些斑点

代表了在宇宙早期
物质质量不均匀的分布状况。

这些点会因为引力而变大。

宇宙会膨胀到比过去 138 亿年

的密度都要小。

但质量更大的地方

引力更强，

会拉动更多的质量到这个地方。

这可能有点难以理解，

让我来详细解释一下。

我们可以用刚才提到的那些
电脑模型来测试这些想法。

让我们来看一下其中的一个。

这是我的研究团队制作的一个影片，

展示了宇宙诞生之后的一些事。

我们可以看见
宇宙开始的时候非常平滑，

但是有些地方

有更多的物质。

这些点开始出现重力，

并不断带来越来越多的质量。

慢慢的，

这里有了足够的物质，

最初与暗物质

相混合的氢气

开始分离出来，

冷却并形成恒星，

形成了一个小的星系。

再后来，数十亿年之后，

这些小星系互相撞击、

融合、形成了更大的星系，

就像我们的银河一样。

如果没有暗物质会发生什么？

如果没有暗物质，

这些点就会不够重。

这表示在形成恒星之前你需要在

一个稠密的地方获得

至少 100 万倍于太阳的质量。

没有暗物质，

就永远不会在一个地方
得到足够的质量。

现在我们看一下并排的这两个宇宙。

其中一个

质量增加得很快。

在这个宇宙中

更容易形成星系。

在其他宇宙中，

在那些开始时
只有很小块状物质的宇宙，

它们只会保持原有的很小的状态。

很少会改变。

在那样的宇宙，你不会发现
像我们这样的星系，

或其他任何的星系。

不会有银河系，

不会有太阳，

也不会有我们这样的人类。

那个宇宙根本不会有生命。

这种令人匪夷所思的暗物质

是宇宙中的主宰。

它正在穿过我们的身体，
没有它我们也不会存在。

它究竟是什么？

我们也不知道。

（笑声）

但我们有一些合理的猜测，

还有进一步解开谜题的想法。

大多数的物理学家认为
暗物质是一种粒子，

在很多方面与我们所知的
亚原子很像，

比如质子、中子和电子。

无论它是什么，

它都和重力的性质非常相似。

但它并不发出或吸收光线，

并且它会穿过正常物质，

好像它不存在一样。

我们想知道它到底是哪种粒子。

例如，它有多重？

或者它与正常物质相互作用
的时候会有什么变化？

物理学家对于它是什么有很多

大胆又有创造力的想法。

但这非常困难，

因为这些想法范围很广。

它可以小得像最小的亚原子，

也可以大如 100 个太阳。

我们应该怎么研究它呢？

物理学家和天文学家

有很多方法去寻找暗物质。

我们所做的一件事，
就是在很深的矿井里

建造灵敏的探测器，

等待穿过我们和地球

的暗物质粒子撞击密度更大的物质，

并留下一些

痕迹的可能性。

我们正在寻找天空中的暗物质，

寻找暗物质粒子

相互碰撞

并产生高能光的可能性，
我们能用特殊的

伽马射线望远镜观察到它。

我们甚至尝试用

瑞士的大型强子对撞机
将粒子撞击在一起，

看是否能产生暗物质。

目前为止，

所有的这些研究让我们排除了

各种疑似暗物质的情况，

（笑声）

但还是没有告诉我们什么是暗物质。

有一些很好的观点
认为暗物质是存在的，

而且能够通过实验观察到。

但实验并没有证明这一点。

因此我们还需持续努力的去寻找。

了解什么是暗物质的
另一种方法

是研究星系。

我们已经讨论过，

如果没有暗物质，我们的银河系
和许多其他星系

将不复存在。

这些模型还对银河系的

许多其他方面做出了预测：

它们如何在宇宙中分布，

如何移动，

如何随着时间演变。

我们可以通过对天空的观察
来检验这些预测。

那么，让我提供两个

我们可以对星系
进行此类测量的例子。

首先我们可以用星系绘制宇宙图。

我加入了一个
名为暗能量调查的项目。

该组织绘制了迄今为止最大的宇宙图。

我们测量了跨越八分之一天空的

近 1 亿个星系的位置和形状。

这张地图向我们展示了
天空这一区域中的所有物质，

这是由这 1 亿个星系
扭曲的光线推断出来的。

光线在穿过这些星系和我们之间

的所有物质时扭曲了。

物质的引力足够强到可以弯曲光路。

于是我们得到了这张图片。

这种类型的地图

可以告诉我们暗物质的数量，

也可以告诉我们暗物质的位置

以及其随时间的变化。

因此，我们试图在大尺度上

了解宇宙的构成。

事实证明，宇宙中最微小的星系

提供了一些好的线索。

为什么呢？

这是两个带有两种

不同暗物质的宇宙模型。

这两个图片都展示了像银河那样的

星系周围的区域。

你会发现周围还有很多其他物质，

那些小的亮点。

在右侧的图像中，

暗物质粒子的移动速度比左侧的慢。

如果这些暗物质粒子
的移动速度非常快，

则小区域中的重力不足以

使它们减速。

它们会继续前进，

不会撞向这些小点。

因此，最终左侧宇宙中
的暗物质含量少于右侧的宇宙；

如果没有这些小的亮点，

那么得到的小星系就会更少。

如果我们仰望南方的天空，

实际上可以看到两个这样的小星系。

它们环绕着银河系，

分别是大麦哲伦星云
和小麦哲伦星云。

在过去的几年中，

我们发现了更多甚至更小的星系。

这是我们利用制作宇宙图

所用的暗能量检测发现的

很多非常小的星系中

的一部分。

其中一些星系非常小，

有的只有几百颗恒星，

而我们的银河系有几千亿颗。

因此，真的很难找到它们。

但是在过去的十年中，

我们实际上发现了更多的小星系。

现在，我们知道有 60 个小星系，

正在绕着我们的银河系旋转。

这些小家伙是暗物质的重要线索。

因为仅这些星系的存在就告诉我们：

暗物质不可能很快移动，

当碰到正常物质时
不会发生太多改变。

在接下来的几年中，

我们将制作更加精确的巡天图，

这些将有助于完善

我们对整个宇宙
和整个银河系的理解。

物理学家们还在做
新的更灵敏的实验，

试图在他们的实验室中
发现暗物质的迹象。

暗物质仍然是一个巨大的谜，

但研究它的过程同样让人非常激动。

我们有明确的证据表明它存在，

从最小的星系

到整个宇宙。

我们会真正找到它
并弄清楚它是什么吗？

我不知道。

但是找到它的过程会很有趣。

我们有很多发现的可能性。

我们肯定会了解到
更多有关它的行为

以及它不是什么的知识。

不管我们什么时候发现该粒子，

我都希望我已经使各位相信，

这个谜团的答案实际上离我们很近。

对暗物质的研究

很可能是我打开
对物理学的全新理解，

并探究我们
在宇宙中位置的钥匙。

谢谢。

（掌声）