引言
1995年，天文學(xué)家宣布，他們研制出了靈敏的光譜儀，可以非常準(zhǔn)確地測量恒星的速度。那時我猜想，幾年內(nèi)這些工具就可以用來發(fā)現(xiàn)太陽系外的行星：如果這些光譜儀在恒星速度中測到微小的周期攝動，那么恒星的周圍可能有一顆大質(zhì)量行星，其引力干擾了母恒星在空間中的運(yùn)動。于是，我決定開始調(diào)研撰寫一本關(guān)于搜尋系外行星的新書，并期望這一突破性發(fā)現(xiàn)會被寫進(jìn)這本書的最后一章。
那一年的10月，當(dāng)米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）宣布他們發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b——第一顆被證實(shí)的圍繞類日恒星運(yùn)動的系外行星，我意識到我要抓緊時間了。1996年的大部分時間，我?guī)缀鯖]有做任何其他的工作。我的這本（荷蘭語）著作[1]在1997年年初出版。這是最早報(bào)道第一輪系外行星發(fā)現(xiàn)的著作之一。
類似的事情在20年后又發(fā)生了。2015年年初，我開始為一本關(guān)于引力波的書做調(diào)研。引力波是宇宙結(jié)構(gòu)的微小波動，由高能量事件引起，比如黑洞碰撞。早在百年前，阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論就預(yù)言了引力波的存在，自那以后，科學(xué)家就在不懈地搜尋引力波。在我開始調(diào)研時，我就知道這些升級后的引力波探測器——美國的激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）和意大利的室女座干涉儀（Virgo detector）的新版本——會在幾個月內(nèi)聯(lián)機(jī)觀測。看上去，過不了幾年引力波就能被發(fā)現(xiàn)。
事實(shí)上，引力波的首次直接觀測發(fā)生在2015年9月，并在第二年的2月公布于世。我再一次把手上的所有事情放在一邊來盡快完成這本書。《時空的秘密》（Ripples in Spacetime）[2]于2017年夏天問世。
于是，當(dāng)2018年年初我開始認(rèn)真籌備一本關(guān)于暗物質(zhì)的新書的時候，我半開玩笑地和我采訪的天體物理學(xué)家和粒子物理學(xué)家說，我時刻準(zhǔn)備見證這一領(lǐng)域的革命性發(fā)展。如果我所寫的書是第一本報(bào)道這一期待已久的暗物質(zhì)之謎的答案、第一本闡述這種構(gòu)成宇宙平衡的神秘東西究竟是什么的書，豈不是很棒？
遺憾的是，革命性的進(jìn)展并沒有發(fā)生。讓我來劇透一下：當(dāng)你看到本書的最后一頁時，你依然不會知道宇宙中的大部分物質(zhì)是由什么構(gòu)成的，而科學(xué)家也不例外。盡管歷經(jīng)數(shù)十年的猜想、搜尋、研究和模擬，但暗物質(zhì)依然是現(xiàn)代科學(xué)中最令人費(fèi)解的謎團(tuán)之一。不過，雖然如此，讀過本書后，你依然能學(xué)到很多關(guān)于我們所居住的這個奇妙宇宙的知識，以及天文學(xué)家和物理學(xué)家用了哪些方法來揭開它的神秘面紗。
暗物質(zhì)挑戰(zhàn)著我們的想象力。它就像看不見的膠水，將宇宙維系在一起，是它使得宇宙運(yùn)轉(zhuǎn)。如果沒有它，星系會瓦解，星系團(tuán)會消散，而太空在很早以前就該擴(kuò)張到毀滅。暗物質(zhì)是其中最重要的原料，但是我們直到最近幾十年才發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，而且沒有人知曉它的本質(zhì)。
不過，感謝數(shù)以百計(jì)為此獻(xiàn)身的科學(xué)家的工作，我們至少知道了暗物質(zhì)不是什么，它不是由暗淡矮星組成的海洋，也不是星系空間中無處不在的昏暗氣體的面紗。暗物質(zhì)不是黑洞群——至少不是天文學(xué)家正逐漸開始探索的“普通”類型。暗物質(zhì)甚至不是由我們所熟知的原子和分子構(gòu)成的。它是怪誕和奇異的化身。
但它塑造了我們所居住的宇宙。暗物質(zhì)為宇宙結(jié)構(gòu)的生長提供了腳手架。它使星系團(tuán)、星系、恒星、行星還有人類的形成成為可能。但是，盡管有眾多的學(xué)科和科學(xué)家參與了這一問題的研究，我們似乎還是無法真正地解決這個問題。雖然有一些跡象和主張，以及間接證據(jù)和單方面的想法，但是迄今為止，還未曾有一個令人信服的發(fā)現(xiàn)。我們還沒有關(guān)于暗物質(zhì)真正特質(zhì)的線索。
尋找暗物質(zhì)的故事可以追溯到20世紀(jì)30年代，但是這一謎團(tuán)直到大約50年前才被廣泛知曉——當(dāng)時，天文學(xué)家開始好奇像銀河系這樣的旋渦星系的外側(cè)為何有著超高的旋轉(zhuǎn)速度。不久后，粒子物理學(xué)家也參與進(jìn)來，因?yàn)槿藗儩u漸發(fā)現(xiàn)如果不引入一種全新類型的物質(zhì)，這一謎團(tuán)是無法解決的。而且，由于其在宇宙演化中所扮演的關(guān)鍵性角色，這些新穎的暗物質(zhì)也成為宇宙學(xué)（在最大的尺度上研究宇宙）中的熱點(diǎn)問題。暗物質(zhì)是真正的多學(xué)科領(lǐng)域的研究，天文觀測者、理論學(xué)者、實(shí)驗(yàn)學(xué)者以及計(jì)算機(jī)建模人員都為此忙碌了幾十年。
在這么長的時間里，有這么多人在研究這個問題，要在這樣的一本書里對每個人都做到公正，是完全不可能的。畢竟，本書不是一本技術(shù)手冊，也不欲成為這一領(lǐng)域的“編年史”。相反，本書提供了對暗物質(zhì)研究中各種令人困惑的情況的概覽。許多關(guān)鍵人物的個人故事讓我們領(lǐng)略到科學(xué)家的聰明才智、堅(jiān)忍不拔，甚至某些時候的頑固，他們把自己的職業(yè)生涯獻(xiàn)給了解決大自然最大奧秘的過程。我將帶著你一起去遙遠(yuǎn)的天文觀測站和地下的實(shí)驗(yàn)室。我們將參與科學(xué)會議，與諾貝爾獎得主和博士后研究人員進(jìn)行交流。遺憾的是，由于新冠大流行，我計(jì)劃的旅行沒能全部實(shí)現(xiàn)，其中很大一部分的采訪不得不通過電話或者Zoom視頻會議完成。
我們的旅行囊括與暗物質(zhì)相關(guān)的廣泛的話題。盡管你可以把這25章中的大部分章節(jié)當(dāng)作獨(dú)立的故事來讀，但我還是把它們按照一定的順序做了整理，使它們呈現(xiàn)出這個謎團(tuán)的發(fā)展歷程。作為鋪墊，第1章介紹了物理學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯，他被稱為“冷暗物質(zhì)（CDM）模型之父”，并且因其對理論宇宙學(xué)的貢獻(xiàn)而成為2019年諾貝爾物理學(xué)獎的得主之一。接著，在第2章中對意大利格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室的訪問讓我們對研究暗物質(zhì)之謎的實(shí)驗(yàn)方法有了初步了解。暗物質(zhì)并不是計(jì)算機(jī)模擬和會議論文的專屬領(lǐng)地。就在此時此刻，世界各地的幾十位科學(xué)家正在對理論進(jìn)行驗(yàn)證，希望能夠解決這一難題。
在這些理論和實(shí)驗(yàn)的引入吊足你的胃口之后，第3章中我們會回到一個世紀(jì)前來了解我們對宇宙物質(zhì)內(nèi)容的理解出現(xiàn)問題的最初跡象。很久之后，在20世紀(jì)70年代，物理學(xué)家意識到，類似于銀河系的星系不能在沒有巨大的、近乎球形的暗物質(zhì)暈的情況下維持穩(wěn)定（第4章）。如第5章所述，像天文學(xué)家薇拉·魯賓這樣的先驅(qū)察覺到，星系的高自轉(zhuǎn)率無法得到解釋，除非它們包含遠(yuǎn)比我們?nèi)庋鬯娨嗟奈镔|(zhì)。
如今，一臺全新的、正在建設(shè)中的望遠(yuǎn)鏡即以魯賓的名字命名。一旦落成，它將會成為地球上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡之一：一臺科學(xué)家試圖用來繪制星系在太空中的三維分布的儀器。這個項(xiàng)目是暗物質(zhì)研究的一個重要方面，也是第6章的主題。接著，在第7章中，我們深入了解元素的起源，以此來查明為什么暗物質(zhì)不能由普通的原子和分子組成。射電天文學(xué)對證明暗物質(zhì)確實(shí)存在的決定性作用是第8章的主題。本書的第一部分到此結(jié)束，該部分主要側(cè)重于天文研究。
第二部分的開篇兩章討論了在20世紀(jì)70年代后半期，越來越多的人相信這些神秘的東西必定是由相對緩慢運(yùn)動（“冷”）的基本粒子組成的。這種粒子與超對稱理論非常契合，該理論是人們渴望已久的“萬物理論”的一個理想候選項(xiàng)。因此，暗物質(zhì)也開始在粒子物理學(xué)中扮演重要角色。
第11章詳細(xì)描述了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)演化的計(jì)算機(jī)模擬，這似乎支持了一種暗物質(zhì)成分的候選體：弱相互作用大質(zhì)量粒子，即WIMP。就在WIMP假設(shè)剛出現(xiàn)的時候，一些科學(xué)家開始質(zhì)疑暗物質(zhì)的真實(shí)性。他們的MOND理論將于第12章中進(jìn)行討論，這一理論聲稱我們對引力的理解需要修正，也許對暗物質(zhì)的搜尋終究只是空中樓閣。
在第13章和第14章中，我們會與強(qiáng)有力的引力透鏡觀測技術(shù)邂逅。引力透鏡是由大質(zhì)量物體的引力所引起的微小的光線偏折。有科學(xué)家認(rèn)為，引力透鏡有潛力反駁MOND理論并幫助科學(xué)家找到另一種暗物質(zhì)候選體——大質(zhì)量致密暈天體（MACHO）。唉，尋找MACHO的工作幾乎一無所獲。反而有另一個謎團(tuán)在20世紀(jì)90年代末顯現(xiàn)了，那就是暗能量。科學(xué)家意識到，空曠的宇宙空間正在加速膨脹，這是暗能量的直接結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)以及它對宇宙的整體構(gòu)成可能造成的影響是第15章和第16章的主題。
暗能量和冷暗物質(zhì)理論已被整合到一個叫作ΛCDM的宇宙模型中，其中希臘字母Λ表示暗能量。對宇宙微波背景（有時被稱為“創(chuàng)世余輝”）的研究為該模型提供了強(qiáng)有力的證據(jù)支持。此外，如第17章所述，遺跡輻射可以與當(dāng)前的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，用以提供宇宙演化的詳細(xì)圖景，毫無疑問，暗物質(zhì)在其中發(fā)揮了作用。雖然我們不知道暗物質(zhì)是什么，但我們已經(jīng)意識到它是宇宙學(xué)的一個關(guān)鍵成分。
第三部分涉及目前和未來對暗物質(zhì)的搜索，以及當(dāng)今宇宙學(xué)家面臨的一些挑戰(zhàn)。在第18章和第19章中，你將會讀到關(guān)于直接探測暗物質(zhì)粒子的高科技實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)使用了安裝在洞穴深處和隧道中的超靈敏儀器，在這里，干擾測量的宇宙射線被屏蔽掉了。令人驚訝的是，宇宙射線本身可能帶有衰變的暗物質(zhì)粒子的蛛絲馬跡，這是第20章的主題。
第21章和第22章描述了最近在ΛCDM模型方面出現(xiàn)的一些令人擔(dān)憂的問題。到目前為止，還沒有人知道這些問題有多嚴(yán)重，但理論學(xué)家已經(jīng)在探索一系列的替代想法和假設(shè)，其中一些將在第23章和第24章中介紹。最后一章對未來進(jìn)行了展望，但我們不可能預(yù)測未來的哪些實(shí)驗(yàn)和觀測會最終解開暗物質(zhì)的百年之謎。希望不要再花100年的時間。
作為一名專門研究地球大氣層外的一切的科學(xué)記者，相對于粒子物理學(xué)來說，我可能更關(guān)注天文學(xué)，盡管我試圖平衡這兩者。我也更注重過去的發(fā)展、成熟的想法和當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)，而不是新的猜想理論、未經(jīng)證實(shí)的結(jié)果以及未來可能的實(shí)驗(yàn)。如果這些新奇的事物一直存在，那么你無疑會在未來的書中讀到它們。
對暗物質(zhì)的搜尋仍在繼續(xù)。盡管它尚未完成，但它已經(jīng)讓我們對廣泛的天文和物理現(xiàn)象有了更深入的理解：從快速旋轉(zhuǎn)的星系、引力透鏡和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，到大爆炸中原子核的誕生以及“創(chuàng)世余輝”中的蛛絲馬跡。這項(xiàng)搜尋還催生了其他有前途的理論，助長了對超對稱及尚未發(fā)現(xiàn)的粒子“動物園居民”的猜測。在尋找宇宙主體成分的真實(shí)身份的同時，科學(xué)家已經(jīng)解開了一些自然界最隱秘的秘密，并揭示了我們所處世界的驚人的復(fù)雜性。
[1]這本書的荷蘭原書名為Tweeling aarde（《雙子地球》）。——譯者注
[2]該書的簡體中文版為《時空的秘密》，于2018年8月由中信出版社出版，胡奐晨譯。——編者注