尋找暗物質

暗物質概念的提出，是基於星係中的恒星繞星係中心的運動速度。按照牛頓的萬有引力定律計算的結果，恒星離中心越遠，它的運動速度應該越小；可實際觀察結果卻是，星係邊緣的恒星的運動速度幾乎沒有差異。

是什麽導致了這一現像？有人推測宇宙中應該有某種暗黑物體，對恒星施加了影響。根據速度偏差圖（又稱旋轉曲線），Kelvin在1884年估計了黑暗物體的數量。1933年，瑞士天文物理學家Fritz Zwicky 根據virial 定理，推出了不可見質量（他稱之為暗物質）大約為可見質量的400倍。另外，根據愛因斯坦的質能轉換定理，在一個星係一定半徑內，質量與光量的比值應當是恒定的。可根據旋轉曲線推算出來的這一比值，卻是隨著半徑而增加的。Babcock把這歸因於光的吸收，或者星係外圍的動力受限，而不是消失的物質。

根據廣義相對論，當遙遠的光線經過一個大質量物體時，觀察者會看到光線彎曲了。中間物體的質量越大，光線的彎曲就越厲害。根據這個彎曲程度，人們可以計算出質量與光的比值；扣除可見的物質部分，就知道有暗物質存在。

根據Lamda-CDM模型的估計，我們的宇宙裏僅有5%的通常物質和能量，27%為暗物質，68%是暗能量。如此大量的暗物質，人類怎麽就是檢測不到呢？既然是不可見的，那就無法光測到。它應該與普通物質很少發生作用，除了引力之外。牛頓萬有引力定律的準確性就沒有人懷疑嗎？它連行星軌道的偏移也解釋不了。愛因斯坦加了一項上去，方才推出了相對論。可是，自然定律是可以隨意加減幾項的嗎？為了解釋暗物質，人類的物理真得改寫了。

暗物質也應該是有層次結構、由一些基本粒子組成的，正如普通物質是由分子原子、誇克和輕子組成的一樣。三種中微子太輕，即使量大，也不可能是暗粒子的構成成分，因為密度不夠。有人提出了WIMPS，弱相互作用大質量粒子；它們通過引力和其它力相互作用。也有人提出了原子大小的黑洞，與primodial black holes相似，在宇宙大爆炸的早期形成，密度無窮大；可是被證明了不存在。還有人提出了光介子（light bosons）或稱axions；等等。現在普遍認為，暗粒子具有非重子型（non-baryonic）的成分。由於不能失去能量、也沒有相互作用，暗粒子無法形成具有一定結構的形狀。

如果暗物質是由粒子組成的，這些粒子定會在宇宙中大量飄散。人們可以觀察它們在普通物質的原子核周圍的散射，為此，物理學家們已經在深入地底之處，做了大量試驗，尚無收獲。也可以觀察暗粒子衰變所形成的產物；它們總該互生互滅，產生某種射線吧？困難在於如何分辨暗粒子發出的信號；更主要的是，檢測儀器的精準度。

也許人們能夠用LHC(大型粒子對撞機)在實驗室裏製造出暗物質來。因為暗粒子與普通質子或電子鮮有作用，有人建議去檢測那部分失去的能量和動量，如果知道碰撞形成的其它產物的話。問題是，這種LHC的工作原理是什麽？總能量和總動量怎麽計算？

先看看普通物質是如何形成的。按照量子理論的標準模型，是由於Higgs介子（上帝粒子）的存在，產生了Higgs標量場。誇克、電子、光子在其中運動受阻，相互作用而結合成形狀，部分動能轉變成了結合能或稱勢能；這些結合能或勢能就是質量。

暗能量該登場了。由Hubble望遠鏡所觀察到的宇宙加速膨脹現象表明，可見物質和能量，是不可能讓各個星係加速脫離彼此的；必定有某種看不見的力量（上帝之手）在推動這一切的發生。暗能量一詞是Michael Turner在1998年創造的。暗能量有兩種形式，一種是宇宙常數，代表宇宙裏恒定的能量密度，也就是愛因斯坦在他的引力方程式中所添加的常數項，目的是維持一個靜態的宇宙。然而，此項的添加，反而讓宇宙不穩定了。看來，我們需要一個更準確的引力場方程。

第二種暗能量來自一些動態的標量場，其能量密度隨著時刻與空間位置而變化，有人稱之為第五種基本力（quintessence）；它可以是吸引性的，也可以是排斥性的，取決於它的動能與勢能的比值。這種力尚無任何表達式，其攜帶者的身分也未知，作用方式也不知，更別說用於檢測了。

類似於Higgs介子，我們就叫這些攜力粒子Quigs吧。由於它們的存在，形成了第五力場；暗粒子在其中運動受限，相互微動而形成了弦，部分動能轉變成了勢能；這些勢能就是暗質量。暗能量與明能量相互作用，就形成了引力波。正是引力波導致了宇宙的加速膨脹。這一切的一切，都是可以通過式子來演算的；Quigs的檢測還有待精密儀器的製造。