「在這裡轉彎。走右邊的土路。你一定要看看這個。」我停好租來的車，里克·蓋茨克爾（Rick Gaitskell）指著一個簡易的木製觀景台，俯瞰著南達科他州利德鎮的特洛伊礦，那裡離他家只有一英里遠。暮色漸濃，我們看到一隊卡特彼勒挖土機正鏟起山體，運走一塊塊碎石，形成一個巨大的梯田式礦坑。附近，一條平緩的山脊聳立著，那是卡車最近堆放的先前挖掘出的岩石。它們刺眼的車燈映照著地平線上金星的光芒。
「真是不可思議，」蓋茲克爾說道，「根本停不下來。他們簡直是在移山填海地尋找黃金。」昏暗的燈光下，我試著解讀他的表情。起初，我以為他是在表達對特洛伊遺址淘金者的同情。嚴格來說，他是布朗大學的物理學教授，但說他也是淘金者也不為過。
蓋茲克爾領導的團隊剛剛啟動了大型地下氙（LUX）實驗，這是一個位於附近霍姆斯特克金礦地下近一英里的龐大粒子探測器。事實上，他正在搜尋暗物質──這種看不見的、目前還只是假想的物質，它構成了宇宙質量的六分之五。如果他找到了暗物質，諾貝爾獎委員會很可能會聯絡他。光是發現十幾個暗粒子就足以顛覆整個現代物理學。考慮到LUX實驗的建造費用約為1000萬美元，這意味著暗物質的實際價格約為每盎司一百萬萬億美元。這可是極其珍貴的物質。
「我尋找暗物質已經23年了，不，24年了，」他說。而且他並非孤身一人；對暗物質的探索已經發展成一個小型產業，儘管目前還沒有產品可以銷售。 「每一次實驗的結果幾乎都是否定的。甚至沒人能確定這玩意兒到底是否存在。那些傢伙，」蓋茨克爾說著，朝礦坑點了點頭，「他們知道金子在哪裡。」我這才意識到，他並非同情礦工，而是嫉妒。
隨後他的表情亮了起來：“這次的結果可能會有所不同。運行兩週左右後，我們預計LUX的靈敏度將超過目前世界領先的實驗。之後，它應該能夠以前所未有的方式探測到暗物質粒子。與此同時，其他實驗也在多個方面逼近暗物質。”
在我們周圍，存在著一種第二現實，它將宇宙維繫在一起，賦予它秩序。在我們腳下，卡車仍在不停地穿梭。在我們頭頂，北斗七星閃爍著光芒。在我們周圍，似乎存在著一種第二現實，它將宇宙維繫在一起，賦予它秩序。歷史上沒有人看過這種無形的織體。但在接下來的兩年裡，像蓋茲克爾這樣的科學家或許能將它展現在我們眼前。
觸及暗物質
如果你想接觸暗物質這種極其微妙的東西，首先要做的是避開一切可能阻礙你前進的事物。因此，我前往LUX實驗的旅程始於一段令人耳鳴的電梯之旅，乘坐電梯沿著舊霍姆斯特克礦井的耶茨豎井向下俯衝。地面上充斥著太陽、深空超新星爆炸，甚至遙遠黑洞釋放的高速原子碎片。隨著我不斷下降，這種混亂逐漸消散。經過10分鐘的下降，我到達了4850英尺（約1570公尺）的高度，走進了一個燈火通明的白色隧道迷宮。直到2002年，霍姆斯特克礦井仍然是個活躍的金礦。如今，它已被改造為桑福德地下研究設施。只有在這裡，地面世界才夠偏遠，LUX實驗才能順利進行。
暗物質研究的歷史也遵循著類似的軌跡，科學家剝離宇宙中可見的物質，以探索宇宙中還存在著什麼。這一切始於20世紀30年代，當時瑞士天文物理學家弗里茨·茲威基測量了星系的運動，他意識到，即使考慮到了所有的恆星和氣體，似乎仍然缺少一些東西：巨大的、看不見的物質團塊正以極高的速度牽引著星系運動。他稱之為暗物質（dunkle Materie） 。
如今，暗物質存在的證據比比皆是。這種看不見的因素使得星系旋轉速度遠超預期，使得星系團對掠過星光的彎曲和扭曲程度也遠超正常水平。它甚至似乎也能解釋這些星系最初的形成過程。超級電腦模擬顯示，早期宇宙中彌散的普通物質雲引力不足，無法聚集形成我們今天所見的有序星系和星系團。而如果在同樣的模擬中加入暗物質成分，一切都迎刃而解了。
暗物質究竟是什麼，無人知曉。但物理學家可以明確地告訴你它不是什麼：它並非構成你我以及可見世界萬物的普通原子。一些最有說服力的證據來自宇宙微波背景輻射的測量，也就是宇宙大爆炸的餘輝。在宇宙誕生的那一刻之後，整個宇宙如同鐘聲般迴響，正如鐘聲的音調反映了它的大小和形狀，宇宙迴響的模式也揭示了早期宇宙中存在的物質種類。令人震驚的答案是：15%的物質是可見的，85%是暗物質。 （更奇特的是，可見物質和暗物質加起來只佔宇宙總質量的三分之一；其餘部分似乎是嵌入空間本身的一種未知能量。）
「我上大學的時候聽說宇宙中85%的物質都缺失了，我就知道這就是我想要研究的，」耶魯大學研究生妮可·拉森說道，她目前在桑福德天文台工作。我和拉森站在一個金屬格柵上，俯瞰著兩層樓高的LUX探測器頂部九英尺高的部分。所有看起來很酷的東西——保持設備清潔和冷卻的管道系統，以及收集和處理數據的電子設備——都位於二樓。
我們走下樓梯，我注意到探測器本身略顯平淡。它看起來很像一個巨大的水箱。事實上，它就是一個巨大的水箱。它容納了7萬加侖超純水，可以阻擋周圍岩石釋放的天然放射性物質。在水箱內部，隱藏著一個70吋高、兩噸重的鈦合金冷凍箱，裡面裝有800磅冷卻至華氏零下170度的液氙。
考慮到背後科學原理的複雜性，LUX 的概念卻出奇地簡單。 「無論暗物質是什麼，它肯定是以粒子形式存在的，」蓋茨克爾說。根據主流物理學理論，暗物質是一種弱相互作用大質量粒子（WIMP）。遲早有一天，一個路過的 WIMP 會隨機撞擊一個普通物質的原子，將其擊飛。這就像隱形人外出慢跑，卻意外撞到另一個慢跑者而揭露了自己的身分。當 LUX 中的氙原子發生這種情況時，它會發出閃光並帶上微弱的電荷。罐內的探測器會尋找這對特徵訊號，而軟體則會過濾掉其他所有乾擾訊號。
其他10個競爭實驗都基於相同的基本碰撞原理：探測訊號，找到弱相互作用重粒子，辨識暗物質，贏得諾貝爾獎。 LUX實驗會是最終的贏家嗎？
蓋茲克爾嘆了口氣。 「現實情況是，你大部分時間都在試圖識別那些看起來像暗物質的普通信號。你身處技術前沿，所以常常不得不邊做邊學，摸索探測器的工作原理。」他說。這很容易導致誤差和爭議性結論，而過去二十年來，這類結論層出不窮。許多其他暗物質實驗也報告了一些引人入勝但模糊不清的觀測結果。其中一個名為DAMA的實驗位於義大利，聲稱他們已經進行了長達十年的觀測，追蹤了掠過地球的暗物質粒子。其他競爭團隊尚未發現誤差來源，但也未能證實這項結果。
「每個人都想搞垮他們，想把 DAMA 搞垮，」芝加哥大學的胡安·科拉爾說。他領導著另一個名為 COUPP 的暗物質探測器，目前正在安大略省薩德伯里附近的瓦爾克雷頓礦場進行探測。
蓋茲克爾渴望得到更明確的答案。 「如果一個實驗不能超越以往的所有實驗，那對我來說毫無意義，」他說，「所以我們計劃建造一個體積更大、靈敏度更高的探測器。」這項搜索將在今年首先進行為期60天的試運行，隨後進行為期300天的正式運行。屆時，LUX將深入探索未知的領域，其靈敏度將比以往的搜尋高出約10倍。
暗物質的產生
像LUX這樣的直接探測暗物質的實驗之所以吸引人，是因為它們非常直觀：要麼探測器內部有訊號出現，要麼沒有。但這種簡單性也帶來了一些嚴重的限制。如果暗粒子比預期輕得多，它們可能根本不會被探測器偵測到。即使探測到了，探測器也只能提供關於它們性質的少量資訊。
如果你真的想了解暗物質的物理特性，你需要在實驗室裡製造它，這樣才能研究它，弄清楚它的運作機制。如果你想製造一種前所未見的奇異新粒子，你需要訂張飛往日內瓦的機票，進入另一條隧道，然後到大型強子對撞機（LHC）開始你的研究工作。
這就是美國國家粒子物理實驗室費米實驗室的物理學家喬·萊肯過去六年來一直在做的事情。他的數千名同事也一直在做同樣的事情。儘管關於希格斯玻色子的發現佔據了各大媒體的頭條，但對於大型強子對撞機（LHC）來說，發現它在某種程度上只是次要成就。彼得·希格斯早在近半個世紀前就預言了這種粒子的存在，以填補被稱為「標準模型」的粒子物理學總體框架中的空白。該領域的大多數研究人員都認為希格斯玻色子的存在是毋庸置疑的。 （一位麻省理工學院的物理學家私下承認，希格斯玻色子與標準模型如此契合讓他「有點沮喪」。）
大型強子對撞機（LHC）的真正目標是解決標準模型無法解答的一些重大問題。其中最重要的問題是：為什麼引力與其他力相比如此微弱？為什麼物質會被任意分成兩類粒子──例如光子和電子──而它們的行為卻遵循不同的規律？還有，暗物質究竟是什麼？
原來，所有這些問題都可能與一種名為超對稱的理論有關。 「過去30年來，我們都一致認為超對稱是自然界最顯而易見的現象，」萊肯說道，因為它恢復了粒子物理學的平衡，並為人們長期以來苦苦追尋的「萬物理論」指明了方向。超對稱理論預言，存在著尚未被偵測到的第三類粒子，它們連結著我們已知的兩類粒子。巧合的是，這一類粒子恰好符合暗物質的描述：有質量、穩定且不可見。因此，證明超對稱理論正確性的過程應該會帶來一個令人欣喜的副產品：發現暗物質並確定其確切性質。而這正是大型強子對撞機（LHC）的用武之地。
在大型強子對撞機（LHC）中，物理學家將質子束高速送入長達17英里的地下環道，加速到光速的99.9999991%，然後讓它們碰撞。在如此高的速度下，質子蘊含著驚人的能量：一束質子所包含的能量相當於一輛豐田卡羅拉以接近音速行駛時的能量。碰撞之後，這些能量必須釋放出去。它們會自發性地轉化為物質，形成粒子噴射。 （物質與能量的等價性——e=mc²的精髓——在亞原子世界中是普遍存在的。）任何能夠被如此巨大的能量產生的粒子都可能存在於這種粒子噴射中。
像萊肯這樣的研究人員最大的希望在於暗物質粒子就存在其中。要找到它們極其困難，因為這些粒子很可能直接穿過大型強子對撞機的儀器而不被觀測到。 “所以，我們只能尋找所謂的‘缺失能量信號’，”萊肯說，“這表明存在一種或多種我們沒有直接探測到的粒子。”這無異於追逐虛幻的影子。
自2010年大型強子對撞機（LHC）開始進行質子碰撞實驗以來，這些實驗至今仍未有任何成果。 「我認為，像LHC這樣規模龐大、技術精湛的儀器竟然沒有發現超對稱的證據，這確實讓人有些意外，」蓋茨克爾說。有些物理學家開始抱怨應該放棄超對稱理論，但萊肯對此並不太擔心。由於一系列技術事故——其中最引人注目的是2008年超過六噸液氦的洩漏——LHC一直以大約一半的功率運行。去年二月，工程師們關閉了機器進行重大升級。
2015年，大型強子對撞機（LHC）將以全功率重啟。從技術角度來說，其能量將從8兆電子伏特提升至14兆電子伏特，但從概念上講，物理學家們計劃將能量提升到極致。 “我們剛剛運行了兩年的LHC是事故發生後的備用方案，”萊肯說道，“所以，沒能在LHC上發現超對稱性而感到失望是不公平的，因為真正的LHC——我們一直以來所宣傳的那個LHC——實際上還沒有真正投入使用。”
重生的大型強子對撞機（LHC）上的暗物質探測將採取多種形式。保琳·加尼翁（Pauline Gagnon）是印第安納大學的研究科學家，目前在歐洲核子研究中心（CERN）工作，該中心正是建造了這台對撞機的歐洲物理聯盟。她正在探索一種推測性的「隱藏谷」模型，在該模型中，一個完整的暗粒子平行世界會在LHC中交替出現和消失。她指出，尋找暗物質的另一個方向是希格斯玻色子衰變產生的粒子。這個概念顯示粒子物理學的發現進程進展之快。去年，希格斯玻色子是轟動一時的話題，引發了鋪天蓋地的新聞報道和極客們的狂熱追捧。到2015年，希格斯玻色子將成為我們熟悉的領域。它就像淘金者需要沖刷掉的泥沙，才能找到暗物質這塊「金子」。
尋找暗物質
大多數暗物質研究者都躲在地下，而塞繆爾·丁則將研究重心放在地球上方200英里的國際太空站。丁對等待暗粒子撞擊原子或從地球上的探測器中射出毫無興趣；他想在太空中，在暗粒子的領地上，透過追蹤它們可能留下的可見痕跡來找到它們。
乍聽之下，這似乎自相矛盾。如果某種物質是暗的，它又怎麼可能被看見呢？但正如其他粒子可以產生暗物質一樣，暗物質有時也能產生其他粒子。特別是，目前的理論表明，如果兩個弱相互作用重粒子（WIMP）碰撞，它們會相互湮滅，並在過程中產生伽馬射線和可偵測粒子。
這些粒子會有一些不尋常的特性。首先，它們由等量的物質和反物質組成，很可能是電子及其反轉的孿生粒子－正電子。其次，這些粒子可以攜帶任意大小的能量，但不能超過某個極限值，而這個極限值是由原始暗物質粒子所包含的能量決定的。由於質量和能量是等價的，這個最大能量值可以揭示暗物質粒子的質量。因此，如果「可見」這個詞用得比較寬泛的話，這種可見訊號看起來是這樣的：一股出乎意料的正電子流，其能量分佈遵循非常嚴格的限制。 「你會知道它具有暗物質的性質，因為這種分佈只能來自粒子物理學，」丁說。
在地球上，正電子一旦接觸到普通物質就會立即湮滅，因此，丁教授表示，探測暗物質訊號的唯一方法是在太空真空中尋找它。不出所料，在大氣層外發射巨型粒子探測器的想法最初引起了許多人的質疑。 「沒人認為這能在太空實現，」他說。丁教授歷經17年，克服了太空梭事故、無數資金挑戰和數次令人望而生畏的技術挫折，最終使其成為現實。 2011年，太空人將丁教授研發的重達18,500磅、價值20億美元的阿爾法磁譜儀（AMS）安裝在了國際太空站的主桁架上。
今年春天，丁教授公佈了首批250億個粒子探測數據。對於這些尚不明確的結果，他表現出一種冷靜樂觀的態度。 AMS並未觀測到明顯的能量截止點——丁教授稱之為「懸崖」——儘管在懸崖之前可能存在一些趨於平緩的跡象。同樣令人鼓舞的是：「我們的數據來自四面八方，」丁教授說道，這與彌散暗物質的理論相符，但與附近某個天體（例如坍縮的恆星）恰好噴射正電子的理論不符。他還指出，他目前只收集了計劃在2028年之前收集的8%的數據，這些數據將使他能夠繪製出能量與大型強子對撞機（LHC）碰撞類似的宇宙物質和反物質分佈圖。 「此前從未有人涉足過這一領域，」丁教授說。
就粒子搜尋而言，AMS 無疑是目前最好的設備——而且可能在未來幾十年內仍將如此。但其他研究人員正在追蹤暗物質在太空中的蹤跡，尋找兩個暗物質粒子碰撞時產生的伽瑪射線。這種方法不需要那麼驚天動地的手段，也不需要太多的耐心：NASA 已經擁有一台太空望遠鏡——費米伽馬射線太空望遠鏡，能夠探測到這種高能量光爆發。
事實上，科學文獻充斥著各種聳人聽聞的輻射特徵探測結果。在過去幾年裡，多個研究團隊宣稱費米伽馬射線太空望遠鏡探測到了至少四種不同的伽馬射線訊號，這些訊號與任何已知的物體或過程都不匹配。這似乎是暗物質存在的誘人證據，但這些報告在許多細節上存在分歧。而且，許多所謂的觀測結果都非常微弱，難以與儀器效應或隨機宇宙雜訊區分開來。更奇怪的是，根據傳統的暗物質理論，其中一些訊號根本無法被偵測到。
哈佛大學的道格拉斯‧芬克拜納（Douglas Finkbeiner）過去一年來一直致力於解讀這些可能的暗物質訊號，他毫不掩飾自己的沮喪。 「這真是一場艱難的博弈，」他說，「總而言之，目前的情況令人困惑。」然而，正是在這種困惑之中，他看到了通往更深層真理的希望：各種實驗結果並不完全吻合，這或許表明暗物質之謎不止一個答案。
芬克拜納說：“我不明白暗物質怎麼可能只是一個獨立存在、與其他任何事物都毫無關聯的小粒子。我認為這將開啟物理學一個全新的領域。”
測試暗影宇宙
芬克拜納在哈佛-史密森天文物理中心工作，這裡是科學家透過觀測研究宇宙的堡壘。沿著花園街走十分鐘，走進紅磚砌成的傑佛遜實驗室，敲開哈佛物理學家麗莎·蘭德爾的門，你就進入了理論的世界。在這裡，宇宙的碎片或許會開始拼湊成一幅完整連貫的圖像。
「這完全是一個全新的概念，所以研究起來很有意思，」蘭德爾說。她指的是今年夏天公佈的一項名為「雙盤暗物質」的新理論。這個名字聽起來像是某種失敗的冰淇淋口味，完全無法體現它的意義。蘭德爾和她的合作者所做的，是推翻了天文學家和物理學家們出於追求簡潔而對暗物質所做的許多假設。
科學家大多認為暗物質是一種單一粒子——但蘭德爾問道，如果它是由兩種或多種粒子混合而成呢？他們一直認為暗物質基本上是惰性的，因為它幾乎不與可見物質相互作用——但如果暗物質能夠以豐富而複雜的方式與自身相互作用呢？蘭德爾描述了第二種暗物質的可能性，這讓我感到毛骨悚然。 「它可能包含原子，也可能存在某種暗化學反應。它可能包含凝聚態物質，然後這些凝聚態物質有可能分裂成更小的粒子，」她說。 “相對於我們的光而言，它是暗的，但相對於它自身的光而言，它可能並非暗的。”
蘭德爾已經超越了比喻的範疇。她描述的是一個真實存在的影子宇宙。
暗物質物理學可能解釋暗星、暗行星，甚至是暗生命。在這種新觀點中，主要的暗物質成分仍然是彌散的、基本無定形的，這解釋了觀測到的星系運動以及所有其他最初確立暗物質存在的證據。第二個相互作用的成分則截然不同。它像可見物質一樣坍縮，因此會形成一個嵌入銀河係可見盤中的暗盤——這就是雙盤暗物質。這個暗盤可能受其自身相互作用和自身力的支配。原則上，暗物質物理學可能解釋暗星、暗行星，甚至是暗生命。 「還有一些更瘋狂的想法，我們正在研究它們，」蘭德爾說。 “這真是一個全新的世界。”
蘭德爾和她的合作者首先考慮的是，某些暗物質的密度是否可能比預期的更高，正如費米伽馬射線探測結果似乎表明的那樣，但卻無法被直接探測實驗發現。他們的理論可以解釋這兩個方面：暗物質盤會聚集形成一個高度集中的扁平狀，但它會像旋轉木馬上的相鄰馬匹一樣，與地球和銀河系的其他部分同步旋轉。暗物質盤中的粒子相對於我們幾乎靜止不動，因此不會在像LUX這樣的儀器中引起任何異常。在尚未發表的雙盤理論的詳細闡述中，蘭德爾和麻省理工學院的物理學家馬修·麥卡洛甚至解釋了為什麼一些地下探測器能夠探測到暗物質，而另一些則不能。
對於像瑞克蓋茲克爾這樣堅定的數據至上主義者來說，所有這些理論聽起來都有些不切實際。 「如果我能藉用電視劇《豪斯醫生》裡的說法，有時如果一個理論無法解釋某個現象，你就需要兩個理論，但你應該抵制這種想法，」他說。胡安·科勒是蓋茨克爾在宇宙物理中心（COUPP）的競爭對手，他則對截然相反的觀點持開放態度：「如果我們能夠感知到的宇宙如此豐富，那麼宇宙的黑暗面為什麼不會同樣豐富甚至更加豐富呢？」對於像萊肯這樣的粒子科學家來說，一個充滿各種暗粒子的宇宙不僅有可能，而且合情合理。 「暗物質比我們已知的物質還要多，」他說。 “那麼，為什麼暗物質的複雜性就不能至少和我們已知的物質一樣？”
幸運的是，蘭德爾的理論也是可以驗證的，而且答案可能在未來幾年內揭曉——甚至可能早於LUX、LHC和AMS的觀測結果。如果銀河係可見圓盤之外還存在一個暗盤，它應該會對周圍恆星的運動產生可測量的影響。歐洲新型太空望遠鏡蓋亞（Gaia）計劃於2013年11月發射（截至發稿時），即開始進行這些測量。
正如弗里茲·茲維基80年前在追蹤星系運動時首次瞥見了黑暗宇宙一樣，蓋亞探測器或許也向我們揭示了一個就在我們眼前的神秘世界。我的思緒飄回到了特洛伊金礦上方的場景。我和蓋茲克爾向下望去，想著下方的黃金。或許，這個神祕宇宙的證據一直就漂浮在我們頭頂，靜靜地等待有人在星空中發現它。
科里·S·鮑威爾是《發現》雜誌的特約編輯，也是《美國科學家》雜誌的代理編輯。本文原刊於2013年11月的《大眾科學》雜誌。
