暗物质 (约克郡,伯毕)

距地面逾半英里深的地下,有一条半透明的银色岩盐带,这是约两亿五千万年前,英国北部陆缘海蒸发后留下的遗迹。如今,这里有一间实验室,一位年轻的物理学家正试图望向虚空。

他坐在电脑屏幕前,近旁有一个巨型银色立方体,是drift探测装置,一个呼吸捕捉器。他正奋力捕捉远在地球若干光年之外,由天鹅座传来的粒子风那微弱的呼吸。

这位青年物理学家要找寻一种特殊物质在宇宙中存在的证据,这种物质实在神秘莫测,目前为止,我们所有想要探究或呈现它的努力,都被它吞噬得一干二净。它不与光沟通,甚至不一定存在,我们称这种物质为——“暗物质”。位于地下深处的这个实验室是他唯一能开展研究的地方。上方三千英尺厚的岩盐、石膏、白云石、泥岩、粉砂岩、砂岩、黏土和表层土,让这里与世隔绝。

他的工作真是个悖论,要研究星辰,必须远离太阳。不过,有时黑暗让人看得更清楚。

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二十世纪三十年代初,一位名叫弗里茨·兹威基(fritzzwicky)的瑞士天文学家在加州理工学院用望远镜研究星系团时,发现了一个极为异常的现象。星系团是因引力而聚集在一起的星系,兹威基的工作之一就是,测量多个星系绕星系团中心旋转的轨道速度,进而推算出星系团的整体质量。兹威基发现,星系的旋转速度比预计要快得多,尤其是那些靠近外缘的。理论上,这样的速度产生的离心力会打破星系之间的引力束缚,使星系团解体。

兹威基认定,只可能有一种解释——还有某种质量巨大的引力源存在,它在所有可观测天体高速运转的情况下维持着星系团的稳定。究竟是什么提供了如此强大的引力场,能把这么多星系绑定在一起?为什么他无法观察到这些“缺失质量”呢?兹威基没有找到答案,可自从他提出这些问题,一场持续至今的“捕猎”便开始了。那些“缺失质量”就是“暗物质”,证明暗物质的存在并了解其性质,是现代物理学追寻的“圣杯”之一。

该如何寻找暗物质呢?它有质量,因此能产生引力,但它并不辐射、反射或吸收光。自兹威基以来,关于暗物质存在的一切依据都是靠推断获得的,人们没有直接探测到暗物质,只能根据发光天体这类可观测对象所受的影响来分析。想了解这种无影无踪的物质,只能透过它出现所带来的后果,而不是其本身。

比方说,我们现在已经知道,暗物质会影响旋涡星系的自转曲线,使星系中所有天体无论距引力中心多远,都以大致相当的速度旋转。我们还知道,暗物质会让经过星系附近的光发生弯曲,造成“引力透镜效应”。爱因斯坦(alberteinstein)在广义相对论中提出,质量会导致时空弯曲,而光线会沿着弯曲的空间传播,因此当光经过像星系这样的大质量实体附近时,就会发生比较明显的弯曲。不过正如之前所说,兹威基观测到的星系团旋转速度极快,光的弯曲程度也非常大,这种现象仅归因于星系中的可见物质,是解释不通的。因此,一定存在某种没有被观察到的物质。它们大量存在于可见星系周围,能够弯曲时空、制造引力透镜效应,却又不可见,天体物理学家称之为“暗物质晕”。

这类观察表明,宇宙中仅有约百分之五的物质是可被触摸、可被看见,或可被仪器观测到的。这些物质构成了石头、水、骨头、金属、大脑,构成了木星上的氨气风暴和土星的碎石环。天文学家将这些物质命名为“重子物质”,因为它们的质量主要由质子和中子这两种常见重子组成。据推测,约百分之六十八的宇宙质量由“暗能量”构成,这种神秘力量似乎加速了宇宙的持续膨胀。剩余约百分之二十七则由暗物质构成,其粒子与重子物质之间几乎不发生任何作用。

暗物质对宇宙中的所有存在都至关重要,它将所有结构凝聚在一起。没有暗物质,超星系团、星系、行星、人类、跳蚤和细菌都将不复存在。证明和解码暗物质的存在,正如肯特·迈耶斯(kentmeyers)所言,相当于“发现一种新秩序、一个新宇宙,在那里,对光明和黑暗的认知都将被颠覆”。

暗物质物理学家的工作,处于可观测世界与想象世界的边缘。他们不断追踪暗物质在可观测世界留下的蛛丝马迹。这种工作是艰难的、带有哲学性质的,需要耐心,甚至需要某种信仰。身兼暗物质物理学家和诗人双重身份的丽贝卡·埃尔森(rebeccaelson)说:“所有的一切,仿佛都是萤火虫/通过它们,你能窥见整片草地。”

目前,人们推测最有可能构成暗物质的粒子是“弱相互作用大质量粒子”(weaklyinteractingmassiveparticle),简称wimp。据估计,wimp质量很大(是质子质量的一千多倍),它们形成于宇宙诞生之后的几秒内,数量极其庞大,从而产生宇宙中那些无法被观测到的巨大质量。

wimp和有“幽灵粒子”之称的中微子一样,对重子物质的世界视而不见。每一秒钟都有数以万亿计的wimp穿过我们的五脏六腑和大脑。中微子也在不碰触任何单个原子的情况下,以类似的方式穿过地壳、地幔和坚实的铁镍地核。对这些粒子来说,我们才是幽灵,我们的世界才是影子世界,由看不见的网络构成。物理学家面临的最大挑战是如何驱使这种难以捉摸的粒子参与实验,如何编织一张网捉住这些“迅敏的鱼”。解决方案之一就是到地下去。世界各地都建立了地下实验室来侦测wimp,侦测中微子与重子物质发生作用的证据,这些实验就像在寻找鬼魂。而将实验室安置在地底深处,是因为周围的岩石能够屏蔽物理学家口中的“噪音”。

日常粒子在空气中滚动产生了“噪音”。原子世界中,每天都有大量粒子在空气中穿梭,非常喧闹。放射性活动的“声音”更是震耳欲聋,宇宙射线渺子也是噪音之一。要捕捉那微乎其微甚至几近不存在的声音,耳边有人敲着大鼓肯定不行。要听到宇宙诞生之初的那一声呼吸,从实验角度来说,你必须到地下去,沉入宇宙中最安静的地方。

在日本某个废弃矿场地下半英里处,有一个已有两亿五千万年历史的片麻岩石穴,这里建有一个不锈钢池,里面装着五万吨超纯水。一万三千个光电倍增管像一只巨大的复眼,密切观察着这些水,寻找微闪的蓝光。这种蓝光叫“切伦科夫辐射”。当一个原子被中微子撞击,原子的电子会向四处散开,其速度可超光速。这些四散的电子被称作“湮灭产物”,它们在水中移动时会产生短暂的蓝光。光电倍增管组成的复眼寻找的,是“幽灵粒子”存在的间接证据:不是中微子本身,也不是被撞击的原子或四散的电子,而是原子遭遇“幽灵撞击”后留下的蓝色光晕——湮灭的余晖。这个片麻岩石穴被称为“瞭望台”,尽管位于地下深处,它的职责却是“占星”——持续监测银河系中的超新星是它的众多任务之一。

在美国南达科他州一个已经采空了的露天金矿里,有一座六英尺高的真空仓,里面装着过冷液氙,真空仓的周围是盛有七万一千六百加仑去离子水的钢焊池。这里也设置了光电倍增管,捕捉因偶然的wimp撞击产生的单个光子和电子。氙气是惰性气体,原子半径较大。低温条件下,氙的密度会变得极大,那些大质量原子紧紧挨在一起,形成更加紧密的横截面,这样一来,粒子穿过时,发生wimp撞击的可能性就提升了。这里地形倾斜,原本是为了寻找稀有且昂贵的金属而开凿的,现在寻找仍在继续,目标却变成了另一种物质,它超出我们的想象,却在现世毫无价值。

英国约克郡海岸的小村庄伯毕附近,有一处一九七三年开始运营的钾碱和岩盐矿,其下更深处的盐穴里,正在进行一场名为“轨道定向性反冲识别”(directionalrecoilidentificationfromtracks)的暗物质探测实验,简称drift。

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尼尔·罗利将他的地下世界地图在桌上摊开,用四块石头分别压住四角,每放一块便念出石头的名字:钾盐、岩盐、杂卤石、方硼石。他将地图从中心向四周抚平。尼尔是矿场安全专家,曾在煤矿工作,现在又来到钾盐矿。他喜欢诗人w.h.奥登(wystanhughauden),也喜欢地图和采矿。

尼尔的地图记录了伯毕矿场的巷道和避难洞,乍看像蜻蜓的翅膀一样,纹路精巧、结构复杂。慢慢地,我的目光陷进了它精密的编码之中。

地图上,英格兰东北海岸线是一条从西北绵延到东南的淡淡灰线:与实际地形无关,在这张图上,它只起定位的作用。就伯毕来说,两个圆圈标出嵌入基岩的两个矿井,由此进入复杂的地下通道网。该通道网从中心分别向东北和西南蔓延,形成了蜻蜓的两翅。通道的西南支处于荒野和山谷下方,延伸至北约克郡深处。东北支则在北海下伸展,越过大洋航线,抵达辽阔的公海。

伯毕矿场的巷道和地道网络被称作“水平巷道网”,它嵌在盐矿和钾矿带中,全长六百多英里。矿带在海洋和陆地下延伸,于地表形成开采工作面,每时每刻都有工人和机器从矿层中掘出数吨的钾矿,由传送带倒进送料斗。这些二叠纪时期的海洋残留物由此开启新的旅程,终点是世界各地的农田。钾矿将作为肥料撒到田里,为作物生长提供必要的钾元素,滋养南北半球“一年两度”的春天。

门迪普的地下是水流冲刷的迷宫,伯毕的地下则是人工挖掘的迷宫。我从地缝来到了巷道。

尼尔的地图用红线标出了盐矿巷道,黑线则是钾矿巷道。黄色方框代表避难室,设置在地下通道两侧的墙壁内,墙壁上用泡沫塑料隔热,若发生塌方或地下火灾,可以到这里暂避危险。

“双翅”舒展,一侧在海底,另一侧在荒野下方,细细的绿线从两翼延伸出去。这是矿业地质学家为了探测矿物位置和储量而钻的小孔。测量结果将决定此地开采的走势,也就是“翅膀”的延伸方向。

“你得明白,地下通道网是倾斜的。”尼尔一边说,一边用手指着地图,从一侧“翅膀”划到另一侧。“矿道是倾斜的,因为钾矿层本身有倾斜角度,地下通道要随着钾矿走。”

内陆的钾矿倾斜着延伸至荒野的腹地,深约四千五百英尺。最接近地表处则在大海支线的最远端,位于船运通道外,深度为两千六百英尺左右。温度随着深度变化。两千六百英尺深处,温度为三十五摄氏度。到了四千五百英尺深处,则为四十五摄氏度。这两处的地热都非常强,空气湿度相当低,人很容易脱水,汗水往往还没流出来就蒸发了。矿工们就像正午时在撒哈拉沙漠劳动,只不过这里一片漆黑。

尼尔说:“每次轮班,矿工都要带上一个装着四升冰水的水箱。他们有饮水时间表。得一直喝水,才会比较安全。”

“我们走吧,看能不能搭升降梯下去,找找暗物质。之后还要走很长一段,才能到达海下开采工作面。”

戴好护耳器,挂好防尘面罩,口袋里装着编了号码的三角铜牌——这是准入证明,不能弄丢,否则就出不去了。黄色的升降梯门唰地关上,开始下降,虽然很平稳,我还是感到一阵心口上提的失重感。通风机房的隆隆声渐弱,升降梯在加速。降到半程,迎面与另一架上升的升降梯错身而过,一阵颤动。空气在两架升降梯之间被挤压,发出呼啸之声,就像两列相向的火车交错时的声响。慢,慢,慢,砰,停了。升降梯门铿地打开,呼喊声传来:“捂好耳朵,开灯!捂好耳朵,开灯!”

尘土在气流中旋转飞舞,浓到舌尖可以尝出咸味。

水平巷道漆黑的入口指示着方向,在大海下方,我们走进了二叠纪。

墙上的一个气闸打开了,这里就是实验室。

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年轻的物理学家坐在电脑前仔细看着天鹅座传来的信号。他叫克里斯托弗·托斯,实验室的白大褂对他来说太大了。克里斯托弗说话沉稳而清晰,为人谦逊有礼,温文尔雅。也许某种程度上,这些特质源于他对时间问题经年累月的思考。

实验室的墙上,黄黑相间的警戒带标示出一个个暗门的轮廓,高度不过大腿,相邻两段警戒带之间间隔十五英尺左右。每个警戒带标出的暗门上方都用两个钩子挂着一把长柄斧。

盐的伽马射线非常低,是优质绝缘体。如果要研究很难和物质相互作用的大质量粒子,把自己关在一个被盐包围起来的地方,最合适不过。但盐有很强的易变性,它会随着时间流动,会汇聚成堆,也会塌陷。如果在岩盐层凿出一个洞室,其上方是三千英尺厚的基岩,那么这个洞室会慢慢变形——顶部会塌陷,四壁会凸出。地心引力将夺回属于它的空间。在伯毕地下实验室工作的科学家们深知,这并不是长久之计,安全工作的时间是有限的。研究深时,动作要快。

“万一发生塌陷,那些就是紧急出口。”克里斯托弗模仿空乘人员解释安全条例的手势,指向用警戒带标示出的小门,“这儿,这儿,还有这儿……一旦实验室塌方,就立刻抓起斧子,凿开墙壁和盐层,到安全的地方去。”

他顿了顿,笑着说:“嗯,至少理论上是这样。”

目前实验室里进行着几项不同的实验,其中之一是测试岩石样本,为放射性废料长期埋藏做技术性研究。另一项是“渺子断层扫描技术”研究,目的是利用宇宙射线中的高穿透性带电粒子(渺子)。渺子能够穿过厚厚的岩石层,可以用来探测一些物体的深层结构,比如火山内部,或者金字塔中心。借助渺子,我们能透视石头。这些实验都非常令人瞩目,但若说哪一项实验可称为“冠上明珠”,无疑是drift。

克里斯托弗带着我走向实验室一角,那里是一个drift探测装置。“这是我的地下水晶球,”他边说边比了个手势,仿若魔术师正揭开谜底,“也叫‘时间投影室’。”

名字如此恢宏,但乍看之下实在貌不惊人——一个大金属盒子,随意地套着几个黑色的垃圾袋。

“我发现了,你这水晶球的关键外层结构是垃圾袋。”我说。

“说笑了,”克里斯托弗回答,“不过,你绝对想不到,事实证明,胶带和垃圾袋对许多科学突破至关重要。”

他将实验过程解释给我听:“我们知道,暗物质质量很大,相当大。因此,尽管我们看不见组成它的粒子,这些粒子却具有质量,这意味着它们至少会偶尔与我们能看见的粒子发生碰撞。碰撞就会导致原子核散射。drift的首要目标便是探测这些碰撞,追踪四散的原子核。”

说到这儿,他停了一下,我耐心地等着。此刻,亿万个中微子正穿过我们的身体,进而穿过地球的基岩、地幔、流动的地下物质,以及它坚硬的内核。

“想象一下,你正在看一场台球比赛,你能看见红球,但看不见白球。突然,一枚红球——一个电子——在台面上滚过。通过观测红球的路线,你就有可能反向追踪到撞击它的那枚无形的白球,也就是wimp。这样一来,也许就能了解到白球的移动方向、质量和性状。这样的实验,我们希望能做得足够多,且足够精确,从而找到暗物质晕的信号。”

drift探测装置的中心是一个一米见方的钢制真空仓,其内以一毫米为间隔,交错设置着超细高电荷线网。如果一个wimp和仓内普通物质的原子核发生碰撞,便会产生一条电离轨迹,线网会使它显像并记录下来。之后,研究人员可以对电离轨迹进行三维重建,分析出发生碰撞的粒子类型和来源信息。线网处在一团低压气体里,这些气体被保存在一个传导室中,传导室则被钢制中子隔离罩包裹——所有这些都被放置于古海洋蒸发后留下的一条岩盐带里。

之后的几年里我将慢慢明白,尽管具体规则或有不同,但这种层层嵌套的“中国套盒”式结构,昭示着地下世界中埋藏人或物的普遍程序。比如,古埃及的埋葬仪式:人们将死者的主要器官放在某个雕着鹰头的卡诺皮克石罐里,然后把石罐放在彩绘木箱里,木箱封存于坟墓中,而坟墓在金字塔内;再比如对核反应堆铀废料的掩埋:人们把废弃铀芯块封在锆棒里,锆棒封在铜柱里,铜柱封在铁缸里,铁缸包裹在膨润土浆里,最后将它们存储在地下深处的岩层里,放入数千英尺深的片麻岩、花岗岩或岩盐之中。

克里斯托弗带我来到他的书桌前。电脑的屏保图片是加拿大落基山脉的路易斯湖,湖水如绿松石一般。他拿给我一张图表,表上是从“时间投影室”返回的数据。上面有几种不同颜色的线,还有一条细细的黑线,斜着与彩线相交。

“这条斜线是阿尔法粒子的路径。”克里斯托弗用小指指着那条线说,“这是个大块头的重量级选手,在我们的实验里,它无论走到哪都会搞出很大动静。不过我们对它并不感兴趣。目前看来,分辨阿尔法粒子的信号,只不过让我们了解了什么是不需要的东西。”

“我们努力倾听的,其实是被它的大吵大嚷遮盖的,那些轻声细语。甚至都算不上轻声细语,更像是轻柔至极的呼吸。在岩盐层之下的这里,大概是唯一能听到这种呼吸声的地方了。那是wimp经过的声音——它会留下一条淡淡的痕迹。我们认为wimp撞击看上去会像是两个光点,两条轨道一边一个。”

克里斯托弗用手指尖挑出两个点,一个在黄线上,一个在粉线上。他停了一下,屏保图片换成了高饱和度的白色海滩,碧海银沙,椰林树影。与此同时,天鹅座的wimp风正穿过我们的身体。

他说:“熟悉了之后,你会发现这个数据非常美。”我赞同地点了点头。

克里斯托弗说:“现在,你看到的是宇宙中最小尺度的事件。那些彩色的线就是我们的放大镜。”

这时,仿佛这句话突然进入他的脑海并留下一条轨迹,他说道:“一切都会产生火花。”之后便陷入短暂的沉默。

“你为什么要寻找暗物质呢?”我问。

克里斯托弗不假思索道:“为了拓展我们的认知边界,为了赋予生命意义。如果不去探索,我们就相当于什么也没做,只是干等着而已。”

他又沉默了。我等着。电脑屏保图片切换成了秋天的美国优胜美地国家公园,酋长岩上覆盖着初雪。克里斯托弗没有说话。

“寻找暗物质是不是一种类似信仰的行为?”我问他。

他等着我继续说下去——他被问过这个问题,回答前想听听我还会说些什么。屏保图片又变成了纳米比亚索苏维来的沙丘。

我想到了伯毕西部的里沃兹修道院,它位于一个肥沃的河谷,是西多会修士为了举行弥撒而修建的。修士们用铁矿石建造了高耸的墙壁和漂亮的穹顶,结构轻盈。类似的修道院遍布世界各地,形成了一张大网。在网中,人们对着一个并不轻易回应的至高存在祈祷着。

在修道院后的山坡上,被称作“滑动裂隙”的地质结构在岩石中缓缓开合,喷射出地底的温热气息。寒冷的天气里,那山坡像在呼吸,仿佛大地也有了生命。在西多会修士来到这个河谷的几千年以前,新石器时代和青铜器时代的人们就曾在这些滑动裂隙中举行仪式。这些仪式跟宗教信仰有关,也可能涉及献祭。死者的遗骨被放入裂隙的岩石中,这也是一种“湮灭产物”。

我想起美国南达科他州黑山的风洞系统,那是印第安苏族拉科塔部落的圣地,那附近废弃金矿的地下深处,还有美国暗物质探测实验室。风洞在地底延伸了一百三十多英里,从洞口到风洞深处,空气不断涌入,或者说被某种力量吸进来,风力足以将帽子从头上刮落。在拉科塔族人的创世传说里,人类最初是从风洞来到地面的,地上世界的色彩和空间令他们惊诧万分。

我对克里斯托弗说:“我的感觉是,寻找暗物质催生出了各种复杂而精妙的猜想,由此诞生的实验室就像礼拜场所,组成一个网络,一切都是为了探寻这种极擅隐藏自己的宇宙隐秘物质。这更像是某种宗教,而不是科学。”

“从小到大我都是一个非常虔诚的基督徒,”克里斯托弗说,“遇到物理学后,我一度丧失了信仰,如今它又以一种完全不同的形式重生了。的确,就试图发现的对象和已有的相关知识而言,我们这些研究暗物质的人相比其他科学家,所掌握的证据要少得多。至于上帝,如果真有那样一种神性的存在,它一定完全超出了科学探究和人类想象的范畴。”

他再次沉默。这样的思考对他来说并不难,他早已想过许多遍。只不过,对每一个措辞他都非常谨慎。

“我愿意相信的神性,不可能通过任何我们认为是‘证据’的东西来展现自己。”他指了指显示器上的读数,接着说,“如果有神,我们是不可能找到它的。如果我发现了某个关于神的证据,我会立刻产生怀疑,因为真正的神一定更聪明,不会留下把柄。”

我问他:“现在人们知道,每一秒都有一百万亿个中微子穿过我们的身体、大脑和心脏,这会改变我们对世界的感受吗?它会改变你对物质的理解,还有你对真正重要的东西的看法吗?我们在世界的各个表面踏出的每一步,都没掉落下去;每次触摸什么东西,也从没有穿过它,这些会让你觉得奇怪吗?”

克里斯托弗点了点头。他在思考。他的屏保图片变成了中国桂林黄昏时分的喀斯特峰林,因背光而露出剪影,这种照片在各类图片分享平台上非常受欢迎。

“周末,如果天气好,我会和妻子出去散步。沿着附近的峭壁漫步时,我会想,我们的身体其实是张网眼很大的网,脚下的峭壁也是网。这种感觉很奇妙,就像我们突然发现自己正走在水面或云层之上。有时我还会想,如果我对此一无所知,又会是什么样呢?”克里斯托弗说。

他再次陷入沉默。显然,他的思绪已经飞出了这小小的岩洞,甚至超出了已知的宇宙。

“不过,最让人惊奇的依然是,我竟能够像现在这样握住爱人的手。”

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那天返程时,尼尔把车开得仿佛正在参加巴黎—达喀尔拉力赛,一辆破得连门都没了的福特“全顺”商用车,行驶在一座绵延六百多英里的迷宫般的地下荒漠中。还有几周尼尔就要退休了,但他一点儿也不在乎。


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