探索暗物质

想象你正在烤一个维多利亚三明治蛋糕。你已经打印出了操作说明，并且准备好了所有的配料:面粉、鸡蛋、黄油、发酵粉和糖。

现在想象一下只有看到发酵粉了吗。所有其他成分都在那里，但你的所有感官都看不见。

假设你能设法把每样东西都放进一个碗里。下一个难题是什么?把黄油和糖搅成光滑、清淡、松软的面糊可不是件容易的事——你怎么知道你的面糊的稠度是对的呢?作为一个烘焙新手，我读过关于过度混合会产生的并发症——一个有嚼劲的、致密的蛋糕——没有人希望奶奶因为这个思想实验而失去她的假牙。

所有最好的蛋糕结构肯定都是垃圾。舔碗的滑稽动作变成了呛住发酵粉，当你把它放进190华氏度的烤箱时^oC、它没有飘香的蛋糕味。最终结果如何?嗯，那肯定很通风。

让我们面对现实吧;如果我要在《英国烘焙大赛》上展示这个，我就不会看到玛丽·贝瑞标志性的边咬了。

然而，这基本上相当于我们对宇宙的理解:在我们能看到的4%的宇宙中，只有不到八分之一是我们肉眼可见的——行星、恒星和所有离地球更近的东西——另外3.6%只是漂浮在太空中的冷气体。

剩下的96%是“暗的”。当科学家说黑暗时，基本上意味着他们还不清楚它是什么。更糟糕的是，科学家们甚至不能完全确定我们是否能够探测到它，尽管这并没有阻止他们尝试奇怪的方法来欺骗暗物质，让它暴露出来。

问题是这种物质完全不同于人类所见过的任何物质。首先，它不与任何东西相互作用。这意味着任何波长的光都不会被它反射回来。它也不发射任何东西;它也不与原子、电子或任何其他亚原子粒子相互作用。星系粉碎在一起，但暗物质只是在附近游荡。既然如此，我们怎么能确定它的存在呢?

唯一非常微妙的线索是，暗物质对重力和声音有一种神秘的影响，而不是什么都没有。我听到一想到后者，眉毛就竖了起来——“太空中的声音?但这是一个真空。如果我在太空中尖叫，没人会听到。”

这是真的。但当宇宙最初形成时，它的密度非常大，以至于声音可以在太空中旅行——相信我——你会尖叫，尽管只是短暂的尖叫，那里的温度飙升到令人窒息的4000度。天文学家今天可以看到这些声波，因为它们被印在一种叫做宇宙微波背景(CMB)的东西上。尽管这些声波已有数十亿年的历史，但它们在CMB中引起了微小的温度波动，科学家们可以通过观察它们来解开我们的宇宙和暗物质的起源。

声音的传播方式不同(想想水和空气)，正因为如此，我们可以推断出它所穿过的东西。如果我们回到天空，我们可以看到这些声波被某种东西抑制了。因此，有些东西正在影响这些早期的声波。

但这并不是这种难以捉摸的物质的第一个线索。弗里茨·兹威基站在加州理工学院威尔逊山天文台的高处，拍摄了一小部分夜空。如果你把手伸出一臂的距离，兹威基观察的天空区域大约和你的拇指指甲一样大。在这片指甲大小的天空中有几千个星系，它们以引力结聚集在一起，被称为后发星团。

在引力的影响下，后发星系团内的所有星系都围绕着一个又一个星系旋转，就像金星、地球和火星都围绕着太阳旋转一样。

牛顿的一个杰出见解是，引力是一种可预测的力，它作用于宇宙中的所有物质，而作用于物体的引力大小与物体的质量成正比。有了这个方程，兹威基可以通过观察星系旋转的速度来计算星系团的质量。

只是，数学计算不合理;当他对后发星团中大约一万亿颗恒星发出的总光进行直接测量时，发现了一个巨大的缺口。它们只是没有足够的恒星和星系来解释这些星系的运动速度。

如果没有这些额外的质量，星系就会像一个在环岛上的小孩一样飞走。星系需要包含大约80-90%以上的物质才能粘在一起。想想在同一个环岛上的鲸鱼——它不会很快起飞。

兹威基推测它可能被称为"邓克尔materie”。

所以，寻找邓克尔materie也就是暗物质开始了。起初，兹威基时代的科学家们还在努力研究大爆炸理论，因此“暗物质问题”似乎很无聊。然而，随着天文学、技术和粒子物理学领域开始取得进展，寻找暗物质变得更加诱人。

关于这些多余物质可能是什么，有很多理论:黑洞、冷气体和巨行星。这些都逐渐被排除在外，现在最有可能的候选者是弱相互作用粒子(wimp)。wimp确实很弱，因为它们不与周围的任何东西相互作用，这就是为什么我们很难把望远镜放在它们上面。

科学家们一直在尝试用几种方法来诱导wimp脱离其阴暗的存在。一方面，世界上的粒子物理学家利用欧洲核子研究中心之类的东西在实验室里创造暗物质，甚至试图在地球上从以太中夺取一个WIMP。

信不信由你，一种“WIMP风”——或许更贴切的说法是大风——正以每秒220公里的速度降落在地球上;因此，你每喝一品脱啤酒，至少会有一个暗物质粒子隐藏在气泡中。如果有这么多东西需要探测，为什么我们不能找到一个专门建造的探测器呢?

由于wimp不相互作用，这些探测器必须对辐射极其敏感。它们非常敏感，即使是一根香蕉的钾的放射性衰变也能在探测器内每分钟引发2000次事件。当你寻找这些羞涩的成分时，你永远不会太安全;员工不允许吃香蕉。

因此，这些探测器被深埋在地球表面之下，被放射性清洁材料包围，并放置在巨大的水箱中，以避免任何形式的污染。

目前，像查姆库尔·加格博士这样的科学家认为，我们之所以失败，是因为我们的探测器太小了。因为与正常物质的相互作用是如此罕见，如果你增加这些探测器的大小，你就增加了你的机会。因此，来自世界各地的科学家正在合作建造你所见过的最大的探测器。该项目将于2018年完成，到2021年我们应该会看到结果。如果不是，“我们可能需要重新思考我们的理论，”Cham向我解释道。我想这是一个相当令人生畏的前景。

但竞赛仍在继续，因为欧洲核子研究中心的科学家威尔·卡尔德隆认为，我们或许能够更快地制造出一个WIMP !虽然威尔很快就打趣说，这句话有一个条件:“如果它是由正确的材料制成的，那么也许，但如果它是由错误的材料制成的，那么谁知道呢。”

威尔的博士研究的就是这个问题。这个想法是你应该能够在欧洲核子研究中心制造暗物质:通过以光速将质子粉碎在一起，你可以创造迷你大爆炸，这意味着你可以创造暗物质，因为暗物质是在大爆炸期间产生的。问题不在于创造它，而在于发现它。威尔希望通过寻找丢失的能量来实现。

他可以观察所有的粒子，以及它们以什么速度从碰撞中飞出来，因为他知道质子碰撞时产生的初始能量，威尔可以把所有粒子的能量加起来，检查是否有任何未知的能量。能量缺口。

在更远的地方，像理查德·梅西这样的天文学家使用哈勃等望远镜观察星系是如何碰撞的，以寻找暗物质的线索。不过，排队的队伍对哈勃来说太长了，所以他建造了一个超轻型望远镜，并在9月份用气球把它送到了太空的尖端。

随着这一连串的活动，竞赛开始了，但这绝不能保证暗物质很快就会被发现。

这种难以捉摸的东西可能会在未来几十年继续逃避我们的探测，但也许这没关系。物理学的奇妙之处在于它非常擅长解决问题，每一个新问题都会带来一系列新的想法供我们思考。所以，在某种程度上，如果暗物质不是真正的WIMP可能会更有趣，如果不是让最前沿的科学家感到有点沮丧的话……