宇宙中的大象

对话大咖，感受前沿，与超难采访的科学家及诺奖得主对话 
亲临现场，一流科学记者带你探访地下深处的实验物理现场
文笔流畅，生动采访：百余年科学历程如展卷一般呈现在你的面前
智识收获：了解科学新知，更感受科学探索现场的智力兴奋

当你用一台望远镜看向外太空，你会看到昏暗明灭的星系、星云、恒星和行星。但如果你把所有这些加在一起，它们也仅仅构成了整个宇宙中物质总量的百分之十五。尽管人类已经为此探索了几十年，余下的百分之八十五的物质，依然是未知的。我们称之为暗物质。

在《宇宙中的大象》里，霍弗特·席林引领我们追踪了人类追寻暗物质的迷人故事。关于暗物质存在的证据来自一系列的天文观测。关于宇宙演化的理论及计算机模拟也表明：暗物质是自然的主要组成部分，唯有如此，才与天文观测结果相吻合。物理学家设计了灵敏的巨大设备来追捕暗物质。但截至目前，暗物质在每一个实验里都成功逃脱了。确实，暗物质是如此难以把握，以至于一些科学家开始怀疑是不是我们关于引力的理论出了错，或者我们的宇宙学模型有问题。席林采访了相信暗物质存在的一方，也采访了持怀疑态度的人，和那些致力于弄清楚理论与观测结果的宇宙学家与物理学家一起，他绘制了一幅绚丽多彩的图景，包括暗物质研究的历史，也介绍了研究的现状。

我们应当全面地看待暗物质，它是难解的问题，也是新的机遇，而且是将科学付诸行动的案例。《宇宙中的大象》清晰地讲述了这么一个完整的故事：科学家向着宇宙的本质进发，正在努力完成一场伟大的拼图游戏。

霍弗特·席林（Govert Schilling）
荷兰天文学记者、科普作家，《天空与望远镜》杂志特约编辑，在《科学》《新科学家》《BBC夜空》等杂志上发表多篇文章，目前已出版五十余本关于各种天文学主题的荷兰语书籍，其中一些已有英译本。2007年，国际天文学联合会以他的名字将第10986号小行星命名为“霍弗特”。前作《时空的秘密》于2018年由中信出版社出版。
 

序言
前言
第一部分 耳朵
第1章    我们所不知晓的物质
第2章    地下幽灵
第3章    先驱者
第4章    晕圈效应
第5章    拉平曲线
第6章    宇宙制图
第7章    大爆炸重子
第8章    射电回忆录
第二部分    象牙
第9章     关于冷
第10章    神奇的WIMP
第11 章    模拟宇宙
第12章    异理论者
第13章    透镜的背面
第14章    MACHO文化
第15章    脱缰的宇宙
第16章    空中楼阁
第17章    指示性图案
第三部分    躯干
第18章     氙之战
第19 章  捕风
第20章    外太空的信使
第21章  矮星系罪犯
第22 章  宇宙学危机
第23章    捉摸不定的幽灵
第24章  黑暗危机
第25 章    看到看不见的
致谢
注释

1995年，天文学家宣布，他们研制出了灵敏的光谱仪，可以非常准确地测量恒星的速度。那时我猜想，几年内这些工具就可以用来发现太阳系外的行星：如果这些光谱仪在恒星速度中测到微小的周期摄动，那么恒星的周围可能有一颗大质量行星，其引力干扰了母恒星在空间中的运动。于是，我决定开始调研撰写一本关于搜寻系外行星的新书，并期望这一突破性发现会被写进这本书的最后一章。
那一年的10月，当米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）宣布他们发现了飞马座51b—第一颗被证实的围绕类日恒星运动的系外行星，我意识到我要抓紧时间了。1996年的大部分时间，我几乎没有做任何其他的工作。我的这本（荷兰语）著作在1997年年初出版。这是最早报道第一轮系外行星发现的著作之一。
类似的事情在20年后又发生了。2015年年初，我开始为一本关于引力波的书做调研。引力波是宇宙结构的微小波动，由高能量事件引起，比如黑洞碰撞。早在百年前，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论就预言了引力波的存在，自那以后，科学家就在不懈地搜寻引力波。在我开始调研时，我就知道这些升级后的引力波探测器—美国的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）和意大利的室女座干涉仪（Virgo detector）的新版本—会在几个月内联机观测。看上去，过不了几年引力波就能被发现。
事实上，引力波的首次直接观测发生在2015年9月，并在第二年的2月公布于世。我再一次把手上的所有事情放在一边来尽快完成这本书。《时空的秘密》（Ripples in Spacetime）于2017年夏天问世。
于是，当2018年年初我开始认真筹备一本关于暗物质的新书的时候，我半开玩笑地和我采访的天体物理学家和粒子物理学家说，我时刻准备见证这一领域的革命性发展。如果我所写的书是第一本报道这一期待已久的暗物质之谜的答案、第一本阐述这种构成宇宙平衡的神秘东西究竟是什么的书，岂不是很棒？
遗憾的是，革命性的进展并没有发生。让我来剧透一下：当你看到本书的最后一页时，你依然不会知道宇宙中的大部分物质是由什么构成的，而科学家也不例外。尽管历经数十年的猜想、搜寻、研究和模拟，但暗物质依然是现代科学中最令人费解的谜团之一。不过，虽然如此，读过本书后，你依然能学到很多关于我们所居住的这个奇妙宇宙的知识，以及天文学家和物理学家用了哪些方法来揭开它的神秘面纱。
暗物质挑战着我们的想象力。它就像看不见的胶水，将宇宙维系在一起，是它使得宇宙运转。如果没有它，星系会瓦解，星系团会消散，而太空在很早以前就该扩张到毁灭。暗物质是其中最重要的原料，但是我们直到最近几十年才发现这一点，而且没有人知晓它的本质。
不过，感谢数以百计为此献身的科学家的工作，我们至少知道了暗物质不是什么，它不是由暗淡矮星组成的海洋，也不是星系空间中无处不在的昏暗气体的面纱。暗物质不是黑洞群—至少不是天文学家正逐渐开始探索的“普通”类型。暗物质甚至不是由我们所熟知的原子和分子构成的。它是怪诞和奇异的化身。
但它塑造了我们所居住的宇宙。暗物质为宇宙结构的生长提供了脚手架。它使星系团、星系、恒星、行星还有人类的形成成为可能。但是，尽管有众多的学科和科学家参与了这一问题的研究，我们似乎还是无法真正地解决这个问题。虽然有一些迹象和主张，以及间接证据和单方面的想法，但是迄今为止，还未曾有一个令人信服的发现。我们还没有关于暗物质真正特质的线索。
寻找暗物质的故事可以追溯到20世纪30年代，但是这一谜团直到大约50年前才被广泛知晓—当时，天文学家开始好奇像银河系这样的旋涡星系的外侧为何有着超高的旋转速度。不久后，粒子物理学家也参与进来，因为人们渐渐发现如果不引入一种全新类型的物质，这一谜团是无法解决的。而且，由于其在宇宙演化中所扮演的关键性角色，这些新颖的暗物质也成为宇宙学（在最大的尺度上研究宇宙）中的热点问题。暗物质是真正的多学科领域的研究，天文观测者、理论学者、实验学者以及计算机建模人员都为此忙碌了几十年。
在这么长的时间里，有这么多人在研究这个问题，要在这样的一本书里对每个人都做到公正，是完全不可能的。毕竟，本书不是一本技术手册，也不欲成为这一领域的“编年史”。相反，本书提供了对暗物质研究中各种令人困惑的情况的概览。许多关键人物的个人故事让我们领略到科学家的聪明才智、坚忍不拔，甚至某些时候的顽固，他们把自己的职业生涯献给了解决大自然最大奥秘的过程。我将带着你一起去遥远的天文观测站和地下的实验室。我们将参与科学会议，与诺贝尔奖得主和博士后研究人员进行交流。遗憾的是，由于新冠大流行，我计划的旅行没能全部实现，其中很大一部分的采访不得不通过电话或者Zoom视频会议完成。
我们的旅行囊括与暗物质相关的广泛的话题。尽管你可以把这25章中的大部分章节当作独立的故事来读，但我还是把它们按照一定的顺序做了整理，使它们呈现出这个谜团的发展历程。作为铺垫，第1章介绍了物理学家詹姆斯·皮布尔斯，他被称为“冷暗物质（CDM）模型之父”，并且因其对理论宇宙学的贡献而成为2019年诺贝尔物理学奖的得主之一。接着，在第2章中对意大利格兰萨索地下实验室的访问让我们对研究暗物质之谜的实验方法有了初步了解。暗物质并不是计算机模拟和会议论文的专属领地。就在此时此刻，世界各地的几十位科学家正在对理论进行验证，希望能够解决这一难题。
在这些理论和实验的引入吊足你的胃口之后，第3章中我们会回到一个世纪前来了解我们对宇宙物质内容的理解出现问题的最初迹象。很久之后，在20世纪70年代，物理学家意识到，类似于银河系的星系不能在没有巨大的、近乎球形的暗物质晕的情况下维持稳定（第4章）。如第5章所述，像天文学家薇拉·鲁宾这样的先驱察觉到，星系的高自转率无法得到解释，除非它们包含远比我们肉眼所见要多的物质。
如今，一台全新的、正在建设中的望远镜即以鲁宾的名字命名。一旦落成，它将会成为地球上最强大的望远镜之一：一台科学家试图用来绘制星系在太空中的三维分布的仪器。这个项目是暗物质研究的一个重要方面，也是第6章的主题。接着，在第7章中，我们深入了解元素的起源，以此来查明为什么暗物质不能由普通的原子和分子组成。射电天文学对证明暗物质确实存在的决定性作用是第8章的主题。本书的第一部分到此结束，该部分主要侧重于天文研究。
第二部分的开篇两章讨论了在20世纪70年代后半期，越来越多的人相信这些神秘的东西必定是由相对缓慢运动（“冷”）的基本粒子组成的。这种粒子与超对称理论非常契合，该理论是人们渴望已久的“万物理论”的一个理想候选项。因此，暗物质也开始在粒子物理学中扮演重要角色。
第11章详细描述了宇宙大尺度结构演化的计算机模拟，这似乎支持了一种暗物质成分的候选体：弱相互作用大质量粒子，即WIMP。就在WIMP假设刚出现的时候，一些科学家开始质疑暗物质的真实性。他们的MOND理论将于第12章中进行讨论，这一理论声称我们对引力的理解需要修正，也许对暗物质的搜寻终究只是空中楼阁。
在第13章和第14章中，我们会与强有力的引力透镜观测技术邂逅。引力透镜是由大质量物体的引力所引起的微小的光线偏折。有科学家认为，引力透镜有潜

第1章    我们所不知晓的物质
菲利普·詹姆斯·埃德温·皮布尔斯（Phillip James Edwin Peebles），普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦荣誉科学教授、美国物理学会会士和英国皇家学会院士、2019年诺贝尔物理学奖得主，以及冷暗物质理论的奠基人。他缓缓地从椅子上站起来朝着对面的书架走去，并从那里取下两个空塑料瓶。[1]
他朝着大瓶子的瓶口吹气，一个低沉的颤音填满了整个房间。接着，他把小瓶子放到唇边，另一个更高的音调响起。“这是同样的原理，”皮布尔斯说道，脸上带着他典型的温和微笑，“每个尺寸的瓶子都有它特有的频率，反之亦然。”
等等，这么简单的道理可不能让你获诺贝尔奖，对吧？
嗯，如果你成功地将它应用于新生宇宙中的声波，如果你能帮助证明星系在没有大量神秘暗物质的情况下不能稳定存在，如果你藉此为我们当前的宇宙学标准模型奠定了基础，那就可以。
于是，在2019年10月8日星期二的清晨5点，皮布尔斯接到了来自瑞典皇家科学院的魔法般的电话。因为他“对物理宇宙学方面的理论发现”，他和另外两个人共同获得了总计约91万美元的奖金，而他获得了其中的一半。“天啊，”他的妻子艾莉森听到这个消息惊呼道。接着，皮布尔斯开始步行，那是他每一天的日常，从家中走到到位于贾德温大厅（Jadwin Hall）二层的办公室的一英里。他84岁的大脑里，思绪一片混乱。
众所周知，吉姆·皮布尔斯从未想象过他会成为一名宇宙学家。他于1935年出生于加拿大的圣波尼法城，如今是大都市温尼伯的一部分。小吉姆曾是一名小发明家，他想成为像吉罗·吉尔鲁斯 一样的人——研究《机械画报》杂志，制造电气装置，用火药进行试验，还爱上了蒸汽机车。哦，对了，当北极光在马尼托巴 冬季的天空中寂静舞蹈的时候，他总会走到屋外。而且他还知晓如何找到北极星。但那时天文学并没有真正俘获他那颗精于技术的心。研究生期间第一次接触宇宙学时，他认为宇宙学“极其枯燥，仅为了特定目的而形成，且难以让人信服”，他曾这样告诉天文学家马丁·哈威特（Martin Harwit）。[2]
当他于1958年的秋天到了普林斯顿后，情况渐渐发生了改变。皮布尔斯是著名物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）研究组里的一名博士生。每周五晚上，迪克都会组织研讨会。在这里，学生、博士后以及教授们自由地讨论每一个感兴趣的科学话题。起初，皮布尔斯被其他人对量子物理学和广义相对论的理解吓倒了，随后他开始珍视这些非正式的会议，不仅仅是为了会后偶尔喝啤酒。迪克对宇宙学的专注思索原来是可以传染的。
1962年，皮布尔斯完成了关于“电磁力的强度是否随时间变化”这一问题的博士论文。他继续在普林斯顿做博士后，与迪克以及另外两名博士后——大卫·威尔金森（David Wilkinson）和彼得·罗尔（Peter Roll）合作。在他在诺贝尔奖获奖演讲中展示的那张褪色的60年代的照片上，皮布尔斯看上去高高瘦瘦的，头发又黑又直，戴着一副眼镜，还穿着有着冰岛特有图案的毛衣。在斯德哥尔摩，研究生院和戴黑领带的正式场合还有着不少距离。

皮布尔斯作为物理宇宙学家的生涯开始于1964年夏天的一个炎热的日子。在普林斯顿帕尔默物理实验室的闷热的阁楼里，迪克展示了他宏伟的计划——寻找新生宇宙遗留下来的辐射，那源自一场比任何一座阁楼都要热几百万度的原始大火。科学家们猜想，来自这一久远事件的辐射就在宇宙中，只是等待着被发现。威尔金森和罗尔负责建造用于探测这些辐射的仪器。“那么吉姆，”迪克问，“你何不深入研究一下这背后的理论呢？”
于是，皮布尔斯研究出了早期膨胀宇宙的热等离子体（即带电粒子的混合体）是如何与高能辐射相互作用并形成浓厚而粘稠的液体的，它们随着低频声波晃动和振荡，就像一锅远古的肉汤。接着，在大爆炸约38万年后，温度下降到足够让中性原子形成的时候，物质和辐射“退耦”了：其中一个的性质不再主宰另一个的行为。虽然辐射现在可以自由地在宇宙中传播——冷却下来变成迪克所寻找的微弱的宇宙背景余辉——物质却以或高密度或低密度的图景被留了下来：这些区域中的密度仅比平均水平高一点或者低一点，而具体大小则由原始声波的频率决定。
大小与频率相关，反之亦是如此，正如皮布尔斯用塑料瓶制成的乐器所做的俏皮演示那般。同样的原理适用于大尺度的宇宙，其制造出来的暗含信息的图景被物理学家称为“重子声学振荡”。随着时间的流逝，超密度区域的物质会进一步凝聚形成星系。这就是星系在三维空间中呈现出非随机分布的原因：它们揭露了早期声波是在哪里离开了最密集的物质沉积物。换言之，宇宙当前的大尺度结构是由大爆炸后不久所发生的事件决定的。
这个过程很复杂，你可以暂时忘掉它——在第17章中我们会回到重子声学振荡这个话题。可以说的是，在吉姆·皮布尔斯30岁生日的时候，他养成了思考最宏大想法的习惯——也许不是关于生命，但一定是有关宇宙和万物。你不需要等到42岁就可以这么做。
皮布尔斯甚至没有因为无线电工程师阿诺·彭齐亚斯（Arne Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在探测宇宙微波背景辐射方面击败普林斯顿小组而感到沮丧。就在迪克召集他的团队几个月后，1964年在新泽西州霍姆德尔附近的贝尔实验室，彭齐亚斯和威尔逊做出了这一发现。“哎，小伙子们，我们被别人抢先了。” 迪克在接到关于这一发现的电话后，失望地告诉他们。但是皮布尔斯记得他当时觉得很兴奋。这一发现意味着他和他的同事们并不是在单纯猜想，那里确实有可以研究的东西。
从那以后，皮布尔斯对就宇宙学着了迷。很快，他开始就一个曾经看起来极其枯燥和难以置信的话题进行演讲。他的Physical Cosmology（《物理宇宙学》）一书于1971年秋天出版，就在他成为正教授的前一年。[3] 这本书的第一版非常显眼地摆放在他办公桌的书架上，旁边是一个阿尔伯特·爱因斯坦的人偶。