宇宙﹝廣角鏡﹞知道~暗物質與未來的時光機嗎？

要明白"宇宙"並不遵循“所見即所得”的原則！事實我們所看到的物質『恒星、氣體和塵埃』僅僅佔據了宇宙物質的10%。這些可見的普通物質由"質子、中子和電子"組成。科學家們把它們稱為“重子物質”，因為質子和中子在"亞原子粒子"中被稱為“重子”。 宇宙物質的其餘90%則是“暗物質”，它們包圍著宇宙中的每一個星系。

這神秘而不可見的"暗物質"維繫著宇宙免於分崩離析，但它們到底是什麼？

暗物質不發射、吸收或者反射任何波長的光線。因此這些神秘的物質是看不見的，但天文學家通過探測它們和普通物質之間的引力相互作用得知了它們的存在。瑞士天體物理學家弗裏茨·茲維琪（Fritz Zwiky）在1933年第一個提出了暗物質的存在。當他研究後發星系團的時候，發現星系間的引力太小無法維持住整個星系團。

有關暗物質的下一波證據則出現在20世紀70年代。天文學家測量了旋渦星系中不同恒星的速度，並且由此畫出了描述速度和它們到星系中心距離之間關係的“旋轉曲線”。原先認為，速度會先增大達到一個峰值，然後隨著遠離星系中心而逐漸減小——但測量的結果卻並不是這麼回事。觀測發現，速度確實會先增大達到一個峰值，但之後隨著距離的增大它卻基本保持不變，即平坦的旋轉曲線。在星系的外邊緣恒星的速度之高使得它們早就該飛出了星系。但是它們卻沒有。必定是科學家們沒有探測到物質維繫住了這些恒星的軌道。

一個品質非常大的天體，例如星系團——可以做為引力透鏡。因此在一些星系團的周圍會出現許多“弧線”。它們是背景的星系所發出的光被前方的星系團引力扭曲、放大後所產生的像。通過研究這些弧線的大小和形狀，天文學家就可以確定出星系團的品質。把計算出的品質和星系團中發光星系的總品質相比較，就能確定出星系團中存在多少暗物質。

暗物質的其他證據則來自星系團之間的碰撞。子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。當星系團碰撞時，星系團中的絕大多數星系，會不受影響的彼此穿過，因為它們之間有相當大的間隙。星系團中的高溫氣體佔據了重子物質總量的絕大部分，而普通物質之間會通過電磁力相互作用。

因此當它們碰撞的時候，就會以輻射的形式損失能量——在子彈星系團中則是釋放出X射線輻射。於是高溫氣體就會減速。天文學家使用引力透鏡間接地探測了子彈星系團中不可見物質的分佈，發現在碰撞的過程中它們也能不受影響地彼此穿過。由此證明了暗物質的存在。

隨著新探測方法的湧現，有關的證據也正在不斷增加。然而探測暗物質的分佈是一回事，瞭解這些神秘物質的性質又是另一回事。多年來，天文學家們認為暗物質是由死亡的恒星、黑洞以及其他已知的不發光天體所組成的。他們使用微引力透鏡來探測了這些物質。

這一方法和引力透鏡類似，唯一的不同是起到透鏡作用的引力體質量要小得多。這一天體的引力除了會使得來自後方的光線被彎曲之外，它們還會放大光強。通過這一辦法天文學家確實發現了一些被稱為“暈族大品質緻密天體”的物質，但它們不足以解釋宇宙中所有缺失的品質。

如果暗物質並不是由普通天體所構成的，那麼它們極有可能就是由非重子粒子組成的，也就是說組成它們的並非是我們熟悉的普通物質（質子和中子）。天文學家將非重子暗物質劃分成兩類：熱的和冷的。雖然借用了這兩個詞，但是它們和溫度無關。

“熱”意味著在早期宇宙中這些粒子的運動速度極高—接近光速。

“冷”則說明它們在早期宇宙中的速度要小得多。

那麼粒子的運動速度又是如何和暗物質的成分扯上關係的呢？

宇宙中運動速度較慢的粒子會先聚集形成較小的結構。這些較小的結構會碰撞和並合成更大的結構，最終形成我們今天觀測到的大品質超星系團。天文學家相信我們宇宙中的結構正是這樣發育和演化的。他們使用冷暗物質來模擬宇宙的演化，結果可以形成和今天我們觀測到相同的結構。

那冷暗物質是什麼？科學家們還不確定。從粒子物理學出發有許多可供選擇的粒子，但沒有一種恰好符合暗物質的要求。雖然並不是專門為暗物質而生的，但這些假想中的粒子具備暗物質所需的全部或者至少一部分的屬性（品質、豐度、壽命以及相互作用方式）。

數十年來，物理學家一直致力於統一引力、電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。在過去的30年左右的時間裏，發展出了超對稱理論。這一理論預言，每一種普通粒子都具有一種尚未被探測到的大品質“超對稱夥伴”粒子。

超對稱所預言的粒子是目前主導的暗物質候選粒子。這些粒子具有品質和弱相互作用力，但它們不參與電磁作用。由此這些弱相互作用大品質粒子（WIMP）可以和普通的原子核發生碰撞，並且在不發射和吸收輻射的情況下散射它們。最輕的WIMP被稱為“渺中子”（neutralino），是最有人氣的暗物質候選者。

另一種常見的冷暗物質候選者則是軸子。它也是一種假想中的粒子，但並非來自超對稱理論。軸子並不是一種“物質粒子”，而是一種力的載體，類似於傳播電磁力的光子。它要比WIMP還輕得多——最多只有後者的十億分之一，因此為了構成暗物質宇宙會需要比WIMP多得多的軸子。

你也許會想，既然有那麼多的冷暗物質粒子，WIMP和軸子應該很容易被發現才是。其實，由於它們不參與電磁相互作用，因此要想探測它們就必須要把現有的實驗推向極致。

探測暗物質的方法取決於科學家想尋找它們中的哪一種（WIMP還是軸子）。尋找WIMP的科學家試圖在探測器中通過直接觀測它們和普通物質的相互作用來捕捉它們。WIMP和原子核之間的碰撞會導致原子核運動或者被散射。

另一種辦法則是間接探測暗物質。WIMP的反粒子就是它本身，因此如果兩個WIMP相互作用就會湮滅產生一系列的次級粒子。天體物理學家可以觀測到許多這些次級粒子，例如電子、正電子（電子的反粒子）、γ射線和中微子。

探測軸子的方法則和探測WIMP的完全不同。當軸子從探測器的磁場中穿過的時候，它會轉變成光子。

除了探測冷暗物質粒子之外，一些科學家還試圖在實驗室裏製造出這些粒子。為此他們必須要擁有極高的能量，目前只有粒子加速器才可以做到這一點。在2009年底世界上最大的粒子加速器大型強子對撞機重新投入使用之後，科學家們就應該可以借此來尋找這些構成暗物質的假想粒子。

天文學家相信，銀河系明亮銀盤的周圍有一個球形的冷暗物質暈（絕大多數其他的星系也是如此）。當我們的太陽系在繞銀心轉動的時候，就會穿過暗物質的海洋。此時，這些粒子並不是和地球碰撞的唯一物質，由普通物質組成的高能宇宙線也會不斷地轟擊地球。來自太陽和其他遙遠天體的輻射也是如此。

為此科學家們把用於尋找冷暗物質的探測器都置於地下，由此來阻隔宇宙線的干擾。其關鍵是要能隔絕“背景噪音”並且能探測到暗物質粒子和普通物質的相互作用。如果他們做不到第一點，那就必須要有辦法來區分噪音和WIMP。

一些科學家認為，在地球表面一平方米的面積中每秒鐘大約會有6億個WIMP穿過。但是它們的相互作用非常微弱，那麼如何才能“看”到它們呢？一旦WIMP和普通粒子發生了一次罕見的碰撞，它就會把一部分的能量轉移給探測器物質中的一個原子核，於是這個原子核就會發生運動——反沖。反沖的大小則反映出了這個WIMP的能量。在現實中，可以用幾種不同的方法來探測這一反沖。

一類探測器會使用接近絕對零度（0.01開）的晶體。晶體具有一定的結構，因此當一個WIMP撞上原子核的時候，原子核會反沖進周圍的結構中。在這一碰撞中，反沖的原子核會將它的部分動能轉化成熱能造成晶體振動。低溫的環境正是為了確保探測到的振動僅僅是由於入射粒子的相互作用而造成的。當然科學家們還會探測到除了WIMP以外的東西，因此絕大多數的探測器都會採用多種方法來確定這是暗物質粒子相互作用還是其他的東西。

另一種直接探測的方法則是使用氣泡室——一個盛放有特定液體的容器。當WIMP擊中原子核的時候，就會產生一個微小的氣泡。隨後通過測量氣泡的變大過程，就能確定發生相互作用的是WIMP還是普通粒子。

如果WIMP的信號隨著時間有年的變化，那將會是確實探測到它的可靠依據。這是因為地球在繞太陽轉動。6月份，地球的運動方向和太陽系繞銀河系運動的方向相同，因此探測到的信號數量會上升。12月份，地球的運動方向與之相反，探測到的信號數量就應該會有5%～10%的下降。這一差別將幫助科學家從背景噪音中區分出WIMP，因為背景噪音終年不變而WIMP的信號則會有起伏。

在幾年前以及2008年“暗物質”實驗的科學家小組宣佈，通過測量這一起伏找到了WIMP存在的證據。但不幸的是，他們僅僅使用了一種探測方法，因此很難區分背景噪音和WIMP的信號。另外，其他的探測實驗沒有一個重複出了他們的結果。在科學中，如果其他的小組無法重複出一項發現，那這極有可能是實驗的誤差。

到目前為止直接探測還沒有發現WIMP。因此科學家們還在尋找來自暗物質候選者的間接信號，以此來補充直接探測。渺中子湮滅會產生電子、正電子、γ射線、中微子和其他粒子。科學家可以使用特殊的探測器來探測它的每一種產物。為了能相互湮滅，渺中子（或者其他WIMP）必須要達到較高的密度，這一情況通常需要有大品質天體的參與才會出現。

太陽或者地球附近的一個WIMP可以和普通物質的原子核發生碰撞（類似於探測器中）。WIMP會失去能量，進而它的速度會降低到小於太陽或者地球的逃逸速度。如果這一現象發生，WIMP就會無法逃出天體引力場的束縛。這個WIMP進而會繼續和其他的原子核碰撞，直到它落入太陽或者地球的中心。

在天體的核心處，WIMP的密度會非常之高，它們自身之間的碰撞會產生次級粒子和輻射。一些地下的實驗裝置——例如日本的超神岡——就可以探測其中的中微子。WIMP的碰撞並不是地球附近中微子的為一來源，太陽也會產生中微子。但中微子探測器可以從太陽中微子中區別出WIMP湮滅產生的中微子，因為後者具有的能量更高。此外，探測器越大，能探測到的中微子就越多。下一代的中微子探測器“冰立方”目前正在南極興建，它會覆蓋一立方千米的巨大空間。

搜尋WIMP湮滅產生的γ射線也極具前景。這一γ射線會具有特定的能譜，而這一能譜又取決於WIMP的品質。費米γ射線空間望遠鏡將會探測到這一能譜並且為暗物質提供間接的觀測證據。

WIMP目前也許在冷暗物質的候選者中處於領跑地位，但它並不是全部。軸子也具有很大的可能性。軸子探測器通常包含有兩部分：一個有磁場貫穿的空腔和一個放大天線。按照理論，當一個軸子穿過這個空腔的時候，它會轉變成一個微波光子。這個光子的頻率正比於軸子的品質。然而，科學家們還無法確定軸子的品質到底是多少，這就意味著他們還無法確定應該在哪個頻率上進行尋找。使用天線和放大器，科學家可以掃描整個微波波段，由此來尋找有別於背景噪音的信號。

探測器的靈敏度正在逐漸達到可以從背景噪音中探測出軸子和WIMP的程度。雖然還沒有探測到，但科學家們正在傾其所能來搜尋暗物質。隨著在下一個十年更為先進的探測器投入使用，宇宙學家們一定會有一個驚喜——無論最終的探測結果是好還是壞。

據宇宙學家表示，他們已經在銀河核心深處發現與暗物質粒子有關的最令人信服的證據。該地的這種神秘物質相撞在一起產生伽馬射線的次數，比天空中的其他臨近區域更頻繁。

最近幾年，科學雜誌上不斷出現類似研究，不過要證實資訊來源一直非常困難。然而費米實驗室和芝加哥大學的宇宙學家、最新研究的第一論文作者丹·霍普表示，出現在arXiv.org網站上的這項最新研究與此不同。他說：“除了暗物質以外，我們考慮每一個天文學來源，然而我們瞭解的知識無法解釋這些觀測資料。也沒有與之密切相關的解釋。”這一斷言還沒得到其他科學家的嚴格審查，不過看過這篇論文的人表示，他們還需要對該成果進行更多討論。

費米實驗室的天體物理學家克雷格·霍甘並沒參與這項研究，他說：“這是我所知道的第一項通過一個簡單粒子模型，把少量與暗物質的證據有關的線索拼接在一起的研究。雖然它還沒有充足證據，但它令人興奮，值得我們去追根究底。”暗物質從137億年前開始在龐大的能量膨脹——宇宙大爆炸過程中形成。能量冷卻後形成普通物質、暗物質和暗能量，目前它們在宇宙中的比例分別是4%、23%和73%。

跟普通物質一樣，暗物質具有引力，幾十億顆恒星正是在它們的幫助下聚集到星系裏。但是這種物質很難與普通物質發生互動，人們看不到它。微中子是唯一一種曾在實驗室裏發現的暗物質粒子，但是它們幾乎是零品質，而且在暗物質的宇宙能量部分裏僅占很小比例。天體物理學家認為，剩下的很大一部分是由弱相互作用大品質粒子(WIMP)構成，這種粒子的能量大約比質子多10到1000倍。如果兩個暗物質粒子撞在一起，它們就會彼此摧毀對方，產生伽馬射線。

霍普和他的科研組通過對費米伽馬射線太空望遠鏡在兩年多時間裏傳回地球的資料進行分析，發現這種高能死亡信號。費米太空望遠鏡是美國宇航局的伽馬射線望遠鏡，主要用來掃描銀河的高能活躍區。他們發現，發出信號的相撞在一起的暗物質粒子，比質子大約重8到9倍。霍普說：“它比我們大部分人猜測的結果可能更輕一些。迄今為止我們很擅長這方面。不過人們猜測的暗物質粒子的重量範圍不會一成不變。”

該科研組在銀河核心處一個直徑100光年的區域收集到的資料裏發現這些信號。霍普解釋說，他們之所以會關注這個區域，是因為它是暗物質最喜歡的聚集地，銀河這個區域的暗物質密度，是銀河邊緣的10萬倍。簡而言之，銀河核心就是一個暗物質大量聚集在一起，經常相撞的地方。

然而其他科學家希望看到卡爾·薩根的名言“不同凡響的發現需要不同凡響的證據”能變成現實。也就是說，他們希望看到從自然界和實驗室兩方面獲得的證據。芝加哥大學的宇宙學家邁克爾·特納沒參與這項研究，他說：“沒人提供像薩根提到的那種證據。接受這一觀點最困難的部分是，你必須拒絕接受天體物理學解釋。大自然非常非常聰明，這可能是我們至今從沒思考過的事情。”

特納表示，好消息是幾項有希望的暗物質探測試驗目前正在進行。相干鍺中微子技術(CoGeNT)等深埋地下的探測器可助霍普一臂之力。該探測器近幾年可能已經發現弱相互作用大品質粒子的跡象。特納說：“這十年是暗物質的十年。這個問題即將解決。現在所有這些探測器都在觀測正確方位。”霍普同意兩人的觀點，不過他表示，與他交談過的天體物理學家，沒人能解釋清楚這一現象。他認為，在他的發現得到支援或痛批前，也許只要數周時間就能在實驗室裏驗證暗物質是否存在。他說：“我從沒像現在一樣為自己是一名宇宙學家而感到激動不已。”

道格拉斯·亞當斯在他的《銀河系漫遊指南》一書中寫道，“宇宙空間無比巨大，你簡直無法相信它是多麼的浩瀚無際，其程度令人難以置信。

距離我們地球最近的半人馬座比鄰星也有4.2光年遠，這是地球和太陽之間距離的20多萬倍。假設我們搭乘美國國家航空航天局的“旅行者1號”去半人馬座的比鄰星旅行，以每秒大約17公里的速度前往尚需7萬4千年。

現在有兩種全新的恒星飛船可能性設計方案擺到了桌面上，這些可能性設計方案能夠使我們，或者更確切地說能夠使我們遙遠的後代到達恒星。

紐約大學的物理學家Jia Liu（劉嘉，音譯）初步設計出以暗物質為動力的太空船。此後不久，數學家路易士·克瑞恩和曼哈頓島堪薩斯州立大學的肖恩‧韋斯特摩蘭（Shawn Westmoreland）提出了一個以人造黑洞為動力的航空器的計畫。

我們來看一看劉嘉的暗物質恒星飛船。由於暗物質對恒星和星系的重力牽引方式，多數天文學家認識到暗物質的存在。這樣的觀測報告顯示，暗物質比宇宙中看得見的物質重6倍，因此一艘暗物質恒星飛船應該擁有大量的燃料供給。

因為宇宙中的暗物質非常豐富，劉嘉設計了一個不需要自身攜帶燃料的火箭。這一點立即超越了其他許多恒星飛船的不足之處，這些恒星飛船的巨大燃料供給極大增加了飛船的重量，妨礙了它們的加速能力。劉嘉說，“暗物質火箭將在途中獲得自身的燃料。”

他的計畫是利用暗物質粒子的湮滅所釋放的能量來推動火箭。劉嘉的想法更多地依靠理論物理學。實際上沒有人知道暗物質是由什麼構成的。一種領先的理論斷定，暗物質是由中性伴隨子組成，這些粒子沒有電荷。中性伴隨子非常古怪，它們有自己的反粒子：在恰當的情況下相互碰撞的兩個中性伴隨子將互相湮滅。如果暗物質粒子以這種方式湮滅，它們將會把全部品質轉化為能量。1公斤暗物質粒子將釋放出大約1017焦耳的能量，是1公斤炸藥的100億倍，足夠推動火箭前進。

劉嘉指出，暗物質火箭穿行得越快，捕獲的暗物質就越多，速度就越來越快。精確的加速度值依賴于周圍暗物質的密度、發動機的搜集區域和火箭的品質。在劉嘉的計算中，他假設太空船只有100噸重，搜集區域為100平方米。這樣，抵達比鄰星的旅行時間將會從幾萬年縮減到只有幾年的時間。

當然，還有一個小問題。為了更有效地工作，劉嘉的火箭將不得不穿越濃厚的暗物質區域。迄今所知，最大的暗物質聚集區距離銀河系中心有2.6萬光年之遙。劉嘉指出，現在還沒有人詳細地繪出銀河系暗物質的分佈圖，他希望能發現較近的聚集區。

為了抵達其他恒星，需要充分利用燃料的每一滴能量。化學火箭效率非常差，只能把它們品質的10-10之一轉化為能量。即使是核燃料也只能把不到百分之一的品質轉換為能量。反物質火箭將成為黃金標準。

1970年，斯蒂芬·霍金演示了並不全黑的黑洞：當黑洞的全部物質轉換成季度緊縮的亞原子粒子團時，它們能夠“蒸發”，克瑞恩相信，用於推動太空船穿越星系的將是這種輻射。

實際上我們必須自己做一個黑洞。為了創建一個黑洞，克瑞恩說，你需要把大量的能量聚集到一個很小的體積內。他設想利用太陽能給一個巨大的伽瑪射線雷射器“充電”。用一個250公里寬的太陽能面板搜集能量，這個面板在距太陽幾百萬公里的軌道上運行，在大約一年的時間裏吸收陽光。

根據克瑞恩的說法，百萬噸級的黑洞太空船將在幾十年內加速到光速。如果這仍然很慢，還會有一種辦法來提高速度。較小的黑洞將會釋放更多的霍金輻射，因此，只要你供給它一些額外的物質，它就會更快地推動飛船前進。一旦你在飛船中以這種速度旅行，你自己的時間將會變慢，你的年齡要比地球上你朋友和家人的年齡要過得慢。克瑞恩說：“在一個人的有限生命時間裏，到達250萬光年遠的仙女座星系是完全有可能的。”

這看起來非常令人興奮，克瑞恩反復地說，就他所知，這是唯一可行的星際旅行方法。更先進的外星文明是完全有可能坐著他們的黑洞太空船在銀河系中遨遊的。因此，尋找黑洞太空船將是尋找地球之外智慧的最佳途徑。當黑洞給飛船提供動力時，它放射出霍金輻射，會對時空產生抖動和波動，我們可能會有能力檢測這種波動，這不同於地球上所知的引力波。

首先我們需要建立一個新的引力波觀測台。現有的設施，如放置在華盛頓哈佛大學和路易斯安那州利文斯頓大學成對的LIGO (引力波觀測鐳射干涉儀)，它們最初是用於尋找低頻的引力波，這種引力波是當黑洞靠近中子星時放射出來的，這與黑洞太空船產生的快速波動非常不同。

也許ET（外星人）早已經做出了選擇，要建造的是一艘暗物質太空船，而不是黑洞太空船。劉嘉說，“如果先進的地外文明目前使用的是暗物質火箭，那麼，暗物質的高密度區域很可能就像大城市一樣，是交通樞紐地區。”

克瑞恩相信我們正在觀察最大規模的達爾文進化論：只有那些擁有生物的宇宙才能夠製造黑洞，然後才能誕生出其他宇宙，與此同時，那些沒有生命的宇宙最終將會消亡。

他最新的計算使他意識到，能夠製造一個剛好適合推動太空船的黑洞，這是多麼的不可思議。在他看來，對於一個智慧文明來說，製造黑洞唯一的理由是星際旅行。他說，“如果這個假設是正確的，我們就生活在一個非常適宜製造太空船的宇宙裏！”