寻找失落的物质

【美国《发现》月刊8月号文章】题：寻找失落的物质67年前的预言
就像起了疑心的信徒，一些天文学家正花费大量时间寻找宇宙中存在一只看不见的手并正在起作用的证据。1933年，一位名叫弗里茨·茨维基的瑞士天文学家提出，可见世界是由某种巨大但不可见的超自然物质结合在一起的；没有这种物质，星系星团就会分崩离析，其周边物质会纷纷撒落到宇宙之中。这种说法虽然听起来荒唐，但是随着时间的推移，其可信度越来越大。天体物理学家现在知道，与构成行星和人类的普通物质相比，茨维基所说的这种失落的物质有着本质的区别。比如，这种物质与光不存在相互作用，它既不发光也不挡光。它与日常所见的物质也没有相互的作用，否则其存在自然会显而易见。我们只能通过它对星系的形状和运动施加的引力影响看出它的存在。
名字的含义
如今，科学家把这种失落的物质称为冷暗物质。“冷”是因为按照亚原子标准这种物质不活泼，“暗”是因为即使用最尖端的望远镜也探查不到它的存在，说其是“物质”是因为它要么是能量，要么是物质，既然它不是能量，所以只能是物质。对星系星团所做的最新研究以及最新的天体物理学理论都预言，这种物质占宇宙中所有物质的90％以上。专家们开始相信，弄清其性质有可能帮助解释星系的形成，统一自然界中的基本力，并且有可能确定宇宙的命运。正如最早的化石给生命的起源提供了暗示一样，在时间产生初期形成的原始冷暗粒子也许会透露宇宙起源的线索。
艰辛的寻找
今年2月在加利福尼亚召开了一次冷暗物质国际研讨会，在这次会议上有两个研究小组宣读了它们在捕获暗物质粒子方面所做的开拓性尝试。据认为，这些粒子是构成暗物质的主要成分。
根据理论，这些假定的“弱作用大质量粒子”（WIMP）有可能在它们与原子的罕见碰撞中探测到，此时原子核由于反作用会产生振荡并发光发热。
两个研究小组都利用了地下探测器寻找原子核反作用的证据。其中一个小组是在意大利的格兰·萨索国家实验所里开展研究的。这个小组为了辨认可能的WIMP碰撞而研究了在碘化钠晶体里观察到的反作用数量的季节性波动现象。与别的粒子流不同的是，到达地球的WIMP流会在冬季和夏季之间发生变化。当地球轨道与太阳系轨道相反时，即冬季时，地球通过WIMP云的速度会降低，这样碰撞的次数也会降低。
丽塔·贝尔纳贝伊和罗马大学的同事以及中国科学院的研究人员提出的证据表明，他们确实发现了反作用现象的季节性波动。他们说，他们4年来记录的反作用数在夏季达到高峰而在冬季则会稍微减少，并且这种波动符合其他几个鉴别WIMP现象的标准。
但是，从斯坦福大学的探测器获得的结果却对这个结论提出了疑问。由宇宙射线产生的普通亚原子粒子——中子——常常会制造“假相”，使人们以为探测到了暗物质粒子。斯坦福大学的探测器监视由中子产生的原子核反作用，以便把这些反作用从总数中除去。领导由10家研究机构参与低温学暗物质项目的卡布雷拉说：“如果WIMP的撞击率如意大利的研究所示，那么我们总共应该观测到大约20次反作用现象。”但是他说，斯坦福的探测器只记录了13次反作用，并且所有这些都有可能是中子造成的
蕴含的秘密
虽然还要等到这两家实验室的研究结果被其他机构证实才能下最终的结论，但是宇宙学家对这些最初的、相互矛盾的结果仍然抱了很大的希望。
芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳说：“重要的事情不是这两项实验相互矛盾，而是我们已跨越了一个门槛。我们现在拥有足够敏感的仪器用来探测WIMP。”他说，这本身就是一项重大的成就。格兰·萨索实验所和斯坦福都准备进一步增强各自的探测能力。
如果他们果真探测到了一些难以捕捉的基本粒子，他们也许还会揭开时间和空间的秘密。目前天文学家正在努力描绘宇宙膨胀的形状和速度，特纳和很多同事都希望对冷暗物质的研究能够促进这项研究。如果暗物质果真是在宇宙诞生时产生的，那么它就能为科学家提供时间诞生时有哪些力存在这一线索。暗物质的性质和分布会有助于解释星系从相对平滑的初始物质中产生然后再变为成团的星系这一不寻常的现象。而暗物质的密度也许可用来解释宇宙是否在继续扩张，以及扩张的速度有多大。不管怎样，冷暗物质对人们深刻理解宇宙的起源、演化和最终的命运都会有很大的帮助。