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有个具有各种粒子与作用力、多采多姿的「暗宇宙」，默默地和我们的宇宙交织在一起？
重点提要
■科学家认为宇宙里充斥著某种不明型态的物质－－暗物质，主要原因有两个：除了因为
恒星、星系与气体云的运动，好似遭受隐形物质的重力拉扯，也因为在辐射等过程中出现
的谜团，都可藉由假设宇宙中存在著迄今仍未知的粒子来解决。 ■一般认为暗物质的主
要成份是「弱作用大质量粒子」（weakly interacting massive particle, WIMP），那
是一种几乎不与可见世界作用的粒子，平淡无趣是其主要特徵。 ■但事实上暗物质是否
可能拥有丰富的内在世界呢？努力想了解暗物质的粒子物理学家认为，它或许能够透过各
种形式的力来作用，包括一种我们根本看不见的光。
1846年9月23日，德国的柏林天文台台长加勒（Johann Gottfried Galle）收到了一封改
变天文学发展史的信件。那封信寄自法国天文学家勒威耶（Urbain Le Verrier），他花
了两年研究天王星运动，认为天王星的路径无法用已知的重力效应来解释，因此应该存在
一个尚未观测到的天体，其重力牵引扰动了天王星的轨道，才能精确解释观测到的异常结
果。当天晚上，加勒将望远镜对著勒威耶指出的方向，竟发现了海王星。
今天，类似的情节正在现代宇宙学的舞台上演：天文学家观测到异常的宇宙运动，推论应
有新物质存在，并眺望苍穹以追索其踪影。我们看见恒星与星系以不寻常的方式运动，正
如同天王星的角色；而就像海王星所扮演的角色，我们推论有迄今尚未观测到的新物质存
在，暂且称之为暗物质与暗能量。我们可以从观测到的异常型态得到它们的一些基本特性
。暗物质似乎是一片由不可见粒子构成的汪洋，不平均地充斥於太空；暗能量则均匀散布
，好像被织进空间结构本体一样。虽然科学家仍无法重复加勒的壮举，以仪器指向太空，
瞥见这些隐形演员的身影，但像在粒子侦测器内出现的光点这类诱人的端倪，则还在持续
累积中。
因为作用於天王星的隐晦力量而被发现的海王星，如今已经被证实是一个迷人的世界。暗
物质与暗能量是否也会如此呢？科学家越来越倾向认为暗物质并不仅仅是为了解释可见物
质的运动而设计出来的物质，它可能是宇宙不为人知的一面，拥有丰富的内在，或许是个
名副其实的粒子动物园，以新颖的自然力交互作用，并且与我们的宇宙整个交织在一起。
以往认为暗物质与暗能量是宇宙里最孤僻的物质，如今人们已不再坚持这样的想法。1930
年代天文学家首次推论有暗物质的存在，当时他们认为它是惰性的。天文观测显示它与一
般物质的比例是6:1，星系与星系团都嵌在暗物质巨球中，称为「晕」。天文学家推测如
此大量的物质要避免被直接侦测到，它势必是由鲜少与一般物质、甚至同类粒子作用的物
质构成，而唯一的作用是为发光物质提供重力支柱。
天文学家认为晕形成於早期宇宙，吸引了可进行各种作用的一般物质，并且发展成复杂的
结构，而迟钝的暗物质则维持原始的状态。至於暗能量的作用似乎仅止於加速宇宙的膨胀
，现有的证据指出，在宇宙的整个历史中，它始终保持不变。
对原子与次原子世界内在运作的详细研究虽然不属於天文学领域，却使暗物质的前景更有
趣了。粒子物理学家一向习惯从已知物质的行为中，寻找未知型态物质的蛛丝马迹，而他
们观察到的证据向来和宇宙的运动完全无关。
从粒子物理看见暗物质
暗物质的想法起源於1900年代早期关於放射性β衰变的发现，当时义大利理论物理学家费
米（Enrico Fermi）假设有新的自然作用力与传递该作用力的粒子，导致原子核衰变。这
种新作用力类似电磁力，而新粒子类似光子，但本质上是不同的。光子因不具质量而可高
速运动，但费米认为新粒子必须很重，它们的质量必须限制其作用□围，以便解释为何只
有原子核会分裂，而其他东西则不受影响。要能复制出观测到的放射性同位素之半衰期，
它们的质量必须非常大□□质子质量的100倍左右，如果以粒子物理的标准单位来计算，
大约是1000亿电子伏特。
我们现在将这种新作用力称为弱核力，而传递新作用力的粒子是在1980年代发现的W与Z粒
子。它们虽然不是暗物质，但其性质暗示了暗物质的特性。首先，它们不应如此之重，它
们的大质量暗示有某种不为人知的粒子促使它们承担质量，就像你身旁的朋友怂恿你再多
吃一块糕饼一样。大型强子对撞机的目标之一就是寻找那些粒子，它们的质量应与W和Z粒
子相当。的确，物理学家认为许多类型的粒子正等著被发现□□在超对称机制下，每一种
已知的粒子都应有与之配对的粒子存在。
这些假设的粒子包括了某种统称为「弱作用大质量粒子」（WIMP）的物质，这种粒子只和
弱核力作用。因为不与主宰日常生活世界的电磁力作用，它们完全不可见，并且对一般粒
子鲜少有直接的效应。所以，它们是暗物质的最佳候选者。
但它们是否真的能够解释暗物质，取决於它们的数量，这是这项粒子物理理论真正引人注
目之处。就像其他种类的粒子一样，WIMP也诞生於狂暴的大霹雳。当时的高能粒子碰撞既
可产生、也能湮灭WIMP，使宇宙中一直维持有WIMP存在。WIMP的数量随时间改变，取决於
由宇宙膨胀所驱动的两项效应。第一项是太初原汤的冷却效应，降低了可供制造WIMP的能
量，因而缩减了它们的数量。第二项效应是粒子稀释，将碰撞并湮灭WIMP的频率逐渐减低
到不再发生为止，这大约发生於大霹雳後10奈秒，WIMP的数量就此冻结。宇宙不再有足够
的能量产生WIMP，物质的密度也不再足以湮灭它们。
有了WIMP的预期质量，以及支配它们湮灭频率的作用强度之後，物理学家便能轻易计算出
留存下来的WIMP数量。令人讶异的是，在预估质量与作用强度的误差□围内，此数目竟与
解释暗物质所需的数量吻合。这项惊人的一致性称为「WIMP巧合」，由粒子物理的世纪谜
团所诱发的粒子，漂亮地解释了宇宙学的观测。
同样的线索也指出WIMP应该是不怎麽活跃的迟钝粒子。概估一下，从你开始阅读本文到现
在，已有将近10亿颗这种粒子通过你的身体了，而除非你真是鸿运当头，否则根本不会发
生任何可察觉的效应，每年可能只有一颗WIMP会与你身体细胞内的原子碰撞而积存入极少
的能量。为了侦测这类事件，物理学家以粒子侦测器长期监测体积庞大的液体等物质，天
文学家也在星系内搜寻突发的大量辐射释放事件，因为这可能代表WIMP环绕时罕见的碰撞
与湮灭。第三种找寻WIMP的方式，则是设法在实验室里合成它们。
【欲阅读完整的丰富内容，请参阅科学人2011年第107期1月号】