世界上最遙遠(yuǎn)的距離

　　不是生與死的距離

　　不是天各一方

　　而是

　　我就站在你面前

　　你卻不知道我愛你

　　——張小嫻《荷包里的單人床》

　　作為一名現(xiàn)代人，你可以讀不懂莎士比亞的十四行詩，你也可以背不出《出師表》，但你一定不能不了解科學(xué)，也一定不能不了解正在發(fā)生的科學(xué)?？茖W(xué)能夠讓一個(gè)人學(xué)會批判性思維，也能夠讓一個(gè)國家強(qiáng)大起來?？茖W(xué)也可以很性感。科學(xué)家在研究中所獲得的愉悅感，令他們高潮迭起，情不自禁。最前沿的科學(xué)研究有很多，但絕對不能缺少暗物質(zhì)和暗能量。

　　作家張小嫻在她的小說《荷包里的單人床》里寫的是女主角蘇盈苦苦暗戀秦云生的故事，雖然秦云生最后接受了蘇盈，但他最愛的始終是他逝去的情人。傷心之下的蘇盈說出了“世界上最遙遠(yuǎn)的距離”這段令人哀婉的話。把這句話用來描述人類對于暗物質(zhì)和暗能量的認(rèn)識和探測來講，最貼切不過。暗物質(zhì)和暗能量無所不在，充斥在宇宙全空間中，我們卻感受不到它，對于暗物質(zhì)和暗能量的探索，體現(xiàn)了人類對于宇宙更深層次的認(rèn)識。

　　　暗物質(zhì)和暗能量 二者為何物？ 

　　我們首先要明確的一點(diǎn)是：到目前為止，物理學(xué)家和天文學(xué)家根據(jù)觀測事實(shí)和理論推測，構(gòu)建出各種各樣的宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型，宇宙在加速膨脹也是公認(rèn)的事實(shí)。其中，暗物質(zhì)是基于現(xiàn)有引力理論的一種假想物質(zhì)，暗能量是基于現(xiàn)有宇宙模型的一種假想的能量。

　　暗物質(zhì)和暗能量的存在能夠解釋一系列令人困擾的天文觀測現(xiàn)象，在現(xiàn)有理論模型下能夠很好的解釋宇宙的演化和存在，可是還沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯犹綔y到暗物質(zhì)和暗能量并為它們的存在以決定性的描述。但是，很多新的觀測現(xiàn)象都指向同一個(gè)事實(shí)：暗物質(zhì)和暗能量是真實(shí)存在的。

　　認(rèn)識暗物質(zhì)和暗能量——從物質(zhì)的組成（標(biāo)準(zhǔn)模型）說起 

　　要對暗物質(zhì)和暗能量有一個(gè)清晰的認(rèn)識，我們就必須知曉現(xiàn)代物理學(xué)對于物質(zhì)組成的基本圖景的構(gòu)建。物理學(xué)是一門研究物質(zhì)世界構(gòu)成和運(yùn)行規(guī)律的科學(xué)，從古代中國的金、木、水、火、土陰陽五行學(xué)說，到古希臘的土、氣、水、火四元素說，再到近代原子分子學(xué)說，人類對于物質(zhì)組成和運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)識由表觀到本質(zhì)，由簡單到復(fù)雜再到簡潔，這個(gè)過程漫長而曲折，從沒停止，也未有盡頭。

　　到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)模型是物理學(xué)對于物質(zhì)世界最深刻和最客觀的認(rèn)識，是描述物質(zhì)基本組成和運(yùn)行最成功的理論。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，物理真空并不是一無所有，真空中充滿場，場的激發(fā)態(tài)是粒子。粒子分為組成子和媒介子，組成子即構(gòu)成現(xiàn)有物質(zhì)世界的“基本”粒子，媒介子是傳遞相互作用的粒子(之所以在“基本”二字加引號，是因?yàn)殡S著科學(xué)的不斷進(jìn)步，舊的認(rèn)識不斷被新的認(rèn)識取代，“基本”二字基本上不靠譜，人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、電子后認(rèn)為這三種粒子就是“基本”粒子，但后來發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以現(xiàn)代粒子物理學(xué)很少用“基本粒子”這種絕對化的稱謂)。

　　組成子的自旋為1/2，是費(fèi)米子，分為夸克和輕子。夸克有三代，分別為：(u,d),(c,s),(t,b)[英文名稱為：(up quark, down quark),(charm quark, strange quark),(top quark or truth quark，bottom quark or beauty quark)；中文名稱為：(上夸克，下夸克),(粲夸克，奇異夸克),(頂夸克又叫真理夸克，底夸克又叫美麗夸克)]；輕子也有三代，分別為，(),(),()[英文名稱為：(electron, electron neutrino),(muon, muon neutrino),(tau，tau neutrino)；中文名稱為(電子，電子中微子),(繆子,繆子中微子),(陶子, 陶子中微子)]。媒介子的自旋為0，是玻色子，分為：中間玻色子，，傳遞弱相互作用；光子，傳遞電磁相互作用；膠子，傳遞強(qiáng)相互作用；希格斯粒子，使得物質(zhì)擁有質(zhì)量。傳遞引力相互作用的引力子至今還沒有發(fā)現(xiàn)。

　　如表1所示，總計(jì)共有61種基本粒子。色(color)是一種內(nèi)部自由度。值得注意的是，由于色禁閉和漸進(jìn)自由，至今還沒能觀察到自由夸克，觀察到的只是由兩個(gè)夸克構(gòu)成的介子、三個(gè)夸克構(gòu)成的重子、四個(gè)夸克或者五個(gè)夸克構(gòu)成的奇特態(tài)粒子?，F(xiàn)代粒子物理學(xué)的各種理論模型是在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架下，對粒子的各種性質(zhì)進(jìn)行更為詳細(xì)和精確地描述。

標(biāo)準(zhǔn)模型下的基本粒子 

 　　暗物質(zhì)理論沿革：從“暗體”到“暗物質(zhì)” 

　　一直以來，物理學(xué)對于物質(zhì)本質(zhì)的描述，朝著兩個(gè)極限不斷前進(jìn)。一個(gè)是微觀極限，現(xiàn)在已經(jīng)深入到原子核內(nèi)部；另外一個(gè)是宏觀極限，現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到整個(gè)宇宙。從微觀上講，標(biāo)準(zhǔn)模型能夠解釋到目前為止發(fā)現(xiàn)的大部分粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型也是基于地球上的物質(zhì)、對撞機(jī)產(chǎn)生的粒子以及宇宙射線而產(chǎn)生的；但是當(dāng)人類將探索的觸角伸向浩瀚無垠的宇宙的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了一些令人費(fèi)解的現(xiàn)象。

　　早在19世紀(jì)末期20世紀(jì)初期，開爾文勛爵(即威廉·湯姆森，著名的“物理學(xué)天空的兩朵烏云”的論斷的提出者，也是熱力學(xué)溫標(biāo)的發(fā)明人)在計(jì)算銀河系的恒星質(zhì)量時(shí)就提出，銀河系中的很多星體，大多數(shù)或許都是“暗體”(dark bodies,不同于“黑體輻射”的black bodies,其實(shí)是dark matter暗物質(zhì)的發(fā)端)。1906年，亨利·龐加萊(早期翻譯作品多譯作昂利·彭加勒，是法國著名的數(shù)學(xué)和物理學(xué)家，著名的“龐加萊猜想”提出者，把“三體問題”發(fā)展為混沌理論的開創(chuàng)者)在討論開爾文勛爵的工作時(shí)，在“銀河系和氣體理論”一文中首次使用暗物質(zhì)(dark matter)這一詞匯。

　　二十世紀(jì)三十年代到七十年代間，F(xiàn)ritz Zwicky和Vera Rubbin等科學(xué)家在觀測不同星系時(shí)發(fā)現(xiàn)引力質(zhì)量比星系的光度質(zhì)量大的多。自此，科學(xué)家指出宇宙間存在大量“看不見”的暗物質(zhì)。我們通過中學(xué)物理學(xué)引力圓周運(yùn)動的公式，也可以簡單地得到這一結(jié)論。

　　從公式中我們可以看出，如果只有可見物質(zhì)參與引力相互作用，那么從星系中心到旋臂，隨著半徑的增大，旋轉(zhuǎn)的速度會越來越低，如圖3中的B曲線。根據(jù)天體物理的理論，這樣會導(dǎo)致星系的不穩(wěn)定。而實(shí)際的觀測表明，穩(wěn)定星系的旋臂的轉(zhuǎn)動速度隨著半徑增大，呈現(xiàn)出一個(gè)恒定速度，這樣才會使得星系保持穩(wěn)定。而這個(gè)現(xiàn)象表明，星系的大部分質(zhì)量并不是集中在星系中心，而是有許多看不見的“暗物質(zhì)”分布在整個(gè)星系，可見物質(zhì)只是星系質(zhì)量的一小部分。

　　暗能量：宇宙加速膨脹的理論依據(jù) 

　　而暗能量的存在，是為了解釋宇宙加速膨脹的事實(shí)。

　　1929年，美國天文學(xué)家哈勃系統(tǒng)觀測了銀河系周圍24個(gè)的星系，把觀測的光譜線與之前實(shí)驗(yàn)室測量的光譜線做了對比，無一例外地都出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，說明所有的24個(gè)星系都在離我們遠(yuǎn)去。哈勃因此而發(fā)現(xiàn)了哈勃定律，即離我們越遠(yuǎn)的星系，離開我們的速度越快。

　　所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去，而我們所處的位置在宇宙中不具有任何空間和時(shí)間上的特殊性，照此推斷，在太陽系測到的星系遠(yuǎn)離，在別的星系上測量也是遠(yuǎn)離的，也就是說所有的星系都在相互遠(yuǎn)離，這就像是不斷膨脹的氣球，各個(gè)星系好比是氣球球面上的點(diǎn)，隨著氣球的膨脹，所有的點(diǎn)都在相互遠(yuǎn)離，沒有兩點(diǎn)是相互靠近的。這說明，宇宙在膨脹，并不是具有固定體積的(這里用體積不合適，因?yàn)橛钪嬲麄€(gè)是時(shí)間和空間的統(tǒng)一，并不是簡單的我們所理解的三維體積，只是用來形象化而已)。

　　1998年，由Brian Schmidt領(lǐng)導(dǎo)的澳大利亞實(shí)驗(yàn)組和Saul Perlmutter領(lǐng)導(dǎo)的美國實(shí)驗(yàn)組幾乎在同一時(shí)間從超新星爆發(fā)中觀察到宇宙加速膨脹的證據(jù)。Brian Schmidt、Saul Perlmutter和Adam Riess由于發(fā)現(xiàn)“宇宙正在加速膨脹”而獲得了2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如果宇宙中只有可見物質(zhì)(或者說重子物質(zhì))和暗物質(zhì)，由于引力相互作用宇宙膨脹會逐漸減速，并最終停止膨脹。

　　而宇宙的加速膨脹，表明在宇宙大尺度上，“萬有引力”并不起主導(dǎo)作用，而是“萬有斥力”在主導(dǎo)宇宙的加速膨脹。早在1980年，Alan Guth和Alexei Starobinsky提出一種“負(fù)壓場”，這種模型認(rèn)為重子物質(zhì)和暗物質(zhì)的壓強(qiáng)為零，而這種場的壓強(qiáng)為負(fù)，表現(xiàn)為斥力。正是由于這種負(fù)壓場，才導(dǎo)致宇宙早期大爆炸之后的劇烈膨脹(注意這時(shí)還不知道宇宙是加速膨脹的，只是為了解釋宇宙大爆炸之后的暴漲階段)。

　　負(fù)壓場很好的解釋了宇宙暴漲。等到1998年發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹這一事實(shí)后，負(fù)壓場又可以解釋宇宙加速膨脹這一事實(shí)，這種負(fù)壓場最終被Michael Turner命名為暗能量(dark matter)，參照的是暗物質(zhì)的命名法。暗物質(zhì)由于其負(fù)壓強(qiáng)的特性，導(dǎo)致時(shí)空在宇宙學(xué)尺度上加速膨脹。

　　我們知道，物理學(xué)發(fā)展至今，雖然理論物理已經(jīng)可以完全獨(dú)立發(fā)展，但理論的正確與否，最終要經(jīng)過可靠實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，理論和實(shí)驗(yàn)可以說是相輔相成的。在本篇中，我們介紹了暗物質(zhì)和暗能量是如何提出的，雖只是來源于科學(xué)家們的頭腦風(fēng)暴和數(shù)學(xué)計(jì)算，但是對于人類認(rèn)識宇宙有著重要意義，至于理論最終會得到證實(shí)還是被推翻，還是要靠具體的實(shí)驗(yàn)探測來說話。