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第五回 | 貫穿物理學史的「暗物質」
撰文 | 弗蘭克 · 維爾切克（Frank Wilczek）
翻譯 | 胡風?梁丁當
我思考「暗物質」的問題已經很多年了。但直到最近，我才意識到人類關於暗物質的探索甚至已經深入到哲學層面。
今天，當我們研究恆星和星系的運動、來自遙遠星系的光的彎曲，或者宇宙膨脹如何隨時間改變的時候，都會遇到暗物質問題。在這些研究里，當我們根據觀測到的天體運動來推測其原因時，總會發現有所出入——引力太多了。即使把現有觀測手段所能看見的一切物體加在一起，其質量也不足以產生如此大的引力。但如果我們假定存在某種未知的新物質（暗物質），它與普通物質（包括它自己）之間只有極微弱的相互作用，並且假定空間本身也擁有一定的密度（暗能量），那麼這些不一致就可以得到很好的解釋。
這個包含了兩個假定的解決方案似乎看上去有些孤注一擲。不過，去尋求一種理論推斷出的「看不見」的物質，這可是有著光榮傳統的。
19世紀時，天文學家對天王星軌道的精確理論計算與精密測量之間出現了偏差。1846年，於爾班·勒威耶（Urbain Le Verrier）和約翰·庫奇·亞當斯（John Couch Adams）提出，這個偏差也許是受到一顆未知行星的影響造成的。勒威耶甚至能夠告訴觀測者應該把望遠鏡對準什麼地方。他真說對了——天文學家按著他說的位置進行觀測，果然發現了海王星。
差不多同一時期，弗里德里希·貝塞爾（Friedrich Bessel）根據天狼星和南河三搖擺的運動軌跡推測,它們各自有一顆當時的天文望遠鏡看不到的伴星。直到十多年後，天文學家才開發出了足夠強大的天文望遠鏡，觀測到了這些伴星——它們屬於體積與地球差不多但密度非常高的白矮星。
1930年，沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）猜測存在一種新的亞原子物質——中微子。在當時，由於探測不到，這其實也是一種「暗物質」。中微子可以解釋放射性衰變時「丟失」的能量和動量。當時，連泡利自己都認為，提出「一種不可能被探測到的粒子」實在是個糟糕的假說。然而在1956年的時候，中微子被探測到了。今天，關於中微子的研究已經是實驗物理的一個大課題。
其實在這些科學進展之前，牛頓早在1692年就提出了一個最深刻的暗物質問題。他寫道：「一個物體可以不通過任何介質穿過真空對遠處的另一個物體產生作用，這對我來說簡直就是一個天大的謬論」，任何一個有思考能力的人都不會喜歡這個想法。對牛頓來說，空間不可能是空的，必然存在某種未知的物質，承載著兩個物體之間的作用力。
幾個世紀後，一個關於充滿了整個空間的電磁「場」的理論橫空出世，證實了牛頓的直覺。1864年，蘇格蘭物理學家麥克斯韋提出了一組代表著這個嶄新觀點的方程，他無比興奮地寫道：「星際間的廣袤空間將不再是造物主未作任何安排的不毛之地……它是如此充盈，沒有任何人力可以……在它無限的連續性中產生些微的瑕疵。」
在愛因斯坦的廣義相對論中，空間本身變成了更加實在的物質媒介。空間可以彎曲：按照廣義相對論，這就是引力作用的本質。還有，正如2017年諾貝爾物理學獎所慶祝的，空間可以像鍾一樣「鳴響」—— 以引力波的方式回蕩！如此看來，最近天文學家發現的空間密度不為零，也不像當初愛因斯坦認為的那樣不合理。在高能加速器中把巨大的能量塞到極小的體積里，我們可以把空間砸碎，看它是由什麼組成的。我們已經發現了大量的構成物質，但是它們以何種方式相互協調從而產生我們所觀測到的密度仍然是未解之謎。
對於假想中的「暗物質」粒子究竟是什麼，物理學家也有一些很有希望的設想。他們正在設計靈敏度高得不可思議的新儀器來觀測它們。
無因之果促使我們用新的視角來審視這個世界，讓那些「黑暗的幽靈」們變得清晰可見。
