文/戴夫·戈德伯格 譯/劉璐
怎么解釋我們所看到的宇宙必定需要暗物質(zhì)或暗能量？暗物質(zhì)或暗能量是觀(guān)測誤差嗎？目前已觀(guān)測的宇宙現象，必須要通過(guò)暗物質(zhì)和暗能量才能解釋嗎？這個(gè)觀(guān)點(diǎn)是否已經(jīng)被科學(xué)家廣泛接受？
我想為此做一下辯解。在討論暗物質(zhì)以前，我寫(xiě)過(guò)幾篇這方面的文章，我幾乎總能收到某種反饋，指責物理學(xué)家懶惰、頑固，甚至在學(xué)術(shù)上不誠實(shí)。對某些人來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)似乎像物理學(xué)家的胡言亂語(yǔ)，用來(lái)掩飾他們對宇宙一無(wú)所知的事實(shí)。
我們回顧一下，20世紀的20年代，天文學(xué)家弗里茨·茲威基發(fā)現，星系成團成簇地高速轉動(dòng)，除非有大量非恒星或非氣體形式的物質(zhì)存在，否則這些團簇用不了多少時(shí)間就會(huì )四散而去。20世紀70年代，維拉·魯本在單個(gè)星系中發(fā)現了同樣的情況。據粗略估計，宇宙中95%的物質(zhì)都是不為我們所知的東西。
將宇宙萬(wàn)物細分開(kāi)來(lái)，普通物質(zhì)占5%，暗物質(zhì)占25%，其余70%是暗能量。
現在我還不想從暗能量開(kāi)始講，暗能量對宇宙膨脹有加速作用，所以如果你不理解暗物質(zhì)，就很難弄明白暗能量。不是我們不大了解暗物質(zhì)的起源，只是那個(gè)“自然”值（從基于真空能量所做的合理假設得出）是我們實(shí)際觀(guān)察到的密度的10-100倍。在我看來(lái)，這絕對是物理學(xué)界最大的問(wèn)題。
我們對暗物質(zhì)高度肯定的所有知識都已在名稱(chēng)上表現出來(lái)。它不帶任何電荷（光與帶電粒子有強烈的相互作用，所以很容易看到）；它不是由原子構成的，因為原子也比較容易看到。有些人之所以對暗物質(zhì)如此不屑，是因為他們只看到那些老掉牙的論據，他們這樣武斷是因為：（1）我們從未檢測到暗物質(zhì)粒子；（2）我們實(shí)際上不清楚暗物質(zhì)是什么。
可是，我們有許多理由相信暗物質(zhì)的存在，因為星系一旦離開(kāi)暗物質(zhì)將會(huì )分崩離析。下面是三個(gè)很好的理由：
一、引力透鏡
光線(xiàn)穿過(guò)大質(zhì)量物體時(shí)會(huì )發(fā)生彎曲。因此我們可以利用背景星系的扭曲圖像繪制宇宙質(zhì)量圖。在那些對戴夫·戈德伯格背景信息感興趣的人看來(lái)，這就是我研究的領(lǐng)域。我們對數超大質(zhì)量的星系團進(jìn)行了透鏡重建（并且發(fā)現了許多額外質(zhì)量），但是只有一個(gè)系統備受媒體關(guān)注。著(zhù)名的子彈星系團是兩個(gè)星系團碰撞的產(chǎn)物。圖像頂部是碰撞的區域（圖中紅色部分）。圖片上的藍色表示引力透鏡顯示質(zhì)量所在的位置。無(wú)論這些質(zhì)量由什么組成，都不可能是氣體或恒星。這是迄今最接近“看到”暗物質(zhì)的圖像。
在暗物質(zhì)研究中，透鏡重建具有雙重功能。我們可以利用它在銀河系里尋找暗星（或許還有黑洞）。只要有一個(gè)暗星或黑洞在更遙遠的恒星面前經(jīng)過(guò)，這顆恒星便會(huì )被放大。這種想法聽(tīng)上去很酷，但是我們現在可以肯定地說(shuō)，銀河系（可能還有其他星系）里存在的黑洞不夠多，不能解決暗物質(zhì)問(wèn)題。
二、大爆炸即使你相信宇宙中存在著(zhù)未被觀(guān)測到的質(zhì)量，這也不意味著(zhù)暗物質(zhì)有什么特別奇異之處，它可能就是普通物質(zhì)，只是我們不知何故看不見(jiàn)而已。我們很清楚宇宙大爆炸過(guò)程中輕元素是如何產(chǎn)生的。事實(shí)上，化學(xué)非常簡(jiǎn)單，真正能夠套入的數字只有宇宙中原子質(zhì)量的密度。例如，如果宇宙中的所有物質(zhì)都很普通，那么我們看到的氘要比實(shí)際看到的要少一千倍。
三、歷史先例事實(shí)上我們還從來(lái)沒(méi)有看見(jiàn)過(guò)暗物質(zhì)粒子，如果因此望而卻步那就不應該了。1920年，盧瑟福預言中子（也是一種中性粒子，因此很難檢測得到）的存在，過(guò)了十二年中子才被發(fā)現。狄拉克預言反物質(zhì)的存在，比第一次檢測到早了27年。1930年，泡利預言了中微子的存在，26年后中微子才被發(fā)現。我們有很好的追蹤記錄，所以能夠在看到某些存在物之前推測到它們的存在。我們有好的理論，所以如果大型強子對撞機或其他實(shí)驗設備探測到“最輕超對稱(chēng)粒子”，那也是意料中的事；如果最終證明是其他什么，我也同樣不會(huì )感到驚訝。
這還不是全部。我們的宇宙圖像如果加入了暗物質(zhì)，就能夠非常完美地解釋一切，包括宇宙微波背景中分布的熱暗斑塊和宇宙的年齡、星系的演變和結構。如果沒(méi)有暗物質(zhì)，這一切都解釋不通。
不過(guò)仍然有人可能會(huì )說(shuō)，修正了的牛頓動(dòng)力學(xué)能解釋暗物質(zhì)的必要性嗎？從根本上說(shuō)，這是在問(wèn)如果愛(ài)因斯坦錯了怎么辦。當然，愛(ài)因斯坦可能錯了。如果是這樣的話(huà),我們的一兩個(gè)論點(diǎn)會(huì )有點(diǎn)麻煩，但不影響其他。但是牛頓動(dòng)力學(xué)有一個(gè)非常大的障礙要克服：它必須能夠解釋相對論。無(wú)論到哪天，我都把寶押在暗物質(zhì)和廣義相對論上。
戴夫·戈德伯格，德雷克塞爾大學(xué)物理學(xué)副教授，和杰夫·布朗奇斯合著(zhù)有《宇宙用戶(hù)指南:在黑洞、時(shí)間悖論和量子不確定性中生存》。
