科学家相信他们知道应该怎样去检测这些粒子 ， 研究它们的个性 。 在这一信念的推动下 ， 物理学家设计了许多伟大的实验 ， 试图识别这些粒子 ， 研究它们是如何从宇宙大爆炸过程中诞生的 。 在过去几十年间 ， 研究人员在地球深处部署了大量敏感的暗物质探测器 ， 它们能够感知到暗物质粒子与原子发生的碰撞 。
这些精巧的实验运行得和它们的设计一样好 ， 但是至今仍一无所获 。 十年前 ， 还有许多科学家坚信这些实验一定会取得成果 ， 但是事实证明暗物质的本质和我们认为的极为不同 ， 它们远比我们想像的更加神秘 。
【“宇宙大爆炸”理论正面临破产？】虽然暗物质是由难以捉摸的“弱相互作用大质量粒子”构成的可能性仍然存在 ， 地下实验的一无所获 ， 已经开始促使物理学家将目标转向暗物质的其他候选者 。 其中之一 ， 是一种假想中的超轻粒子——轴子 。 轴子是根据粒子物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn 1977年的理论预言的 。 虽然科学家已经在使用强大的磁场 ， 试图将轴子转化为光子 ， 以此来发现轴子 ， 但是这样的研究却因这些粒子本身的特点而受到了很大限制 。
超星系团Abell 901/902拥有数百个星系和大量暗物质 。 图中用洋红色描绘了暗物质的大致分布区域 。 NASA / ESA / C. Heymans (University of British Columbia) / The STAGES Collaboration / ESO / C. Wolf (Oxford University) / The COMBO-17 Collaboration
针对暗物质难以被探测的另一种解释是 ， 宇宙的最初时刻可能和宇宙学家想像的有很大差异 。 以“弱相互作用大质量粒子”为例 ， 计算显示 ， 新生的宇宙可能在其最初的百万分之一秒内制造出了大量的此类粒子 ， 当时它们和周围由夸克、胶子等亚原子构成的粒子浆达成了某种均衡 。 “弱相互作用大质量粒子”可能在这些环境中幸存了下来 ， 最终构成了我们今天宇宙中的暗物质 。 而这一过程取决于它们如何互相影响 ， 以及相互影响的概率有多大 。 但是在计算中 ， 科学家常常假设在最初的时刻 ， 空间的膨胀是均匀的 ， 没有意外事件 ， 也没有相态的改变 。 所以假如我们说这种简单的假设是不成立的 ， 也是合理的 。
尽管宇宙学家对我们宇宙在其一生的大部分时间中如何膨胀已经了解了很多 ， 他们对宇宙大爆炸后的认识仍然很少 ， 更不用说宇宙的最初时刻了 。 对于解释宇宙在其最初时刻如何演化 ， 发生过什么样的事 ， 我们在根本上是没有直接观测证据可以依赖的 。 宇宙的这一纪元是不可见的 ， 它深埋在无法穿透的能量、距离和时间之中 。
我们对宇宙这段历史的认识 ， 比基于推断的猜想还要少 。 如果在时间上回溯足够久远 ， 我们所知的与宇宙有关一切都可能与今天完全不同 。 那时的物质和能量可能是以与今天完全不同的形态存在的 ， 它们之间的作用力 ， 也有可能是我们从未见过的 。 那时可能发生过科学尚无法解释的关键性事件和状态转变 。 物质之间可能以完全不同的方式互相影响着 ， 而空间和时间本身也可能有与今天我们所知完全不同的行为方式 。
旋涡星系NGC 3972在扮演宇宙距离标尺方面起了重要作用 。 这个星系内有大量造父变星 ， 可供天文学家丈量相对较近星系的距离 。 2011年这个星系内还出现了一颗Ia型超新星 。 科学家可以通过它们测算哈勃常数 。 NASA / ESA / A. Riess (STScI / JHU)
基于这一理念 ， 许多宇宙学家开始考虑一种可能性 ， 即我们找不到组成暗物质的粒子 ， 其原因不仅与暗物质本质本身有关 ， 还有可能与暗物质的形成时期有关 。 因此在研究暗物质的同时 ， 许多科学家开始研究起宇宙大爆炸后的最初时刻 。
1929年 ， 埃德·温哈勃发现星系离我们远去的速度与它们和我们的距离成正比 。 这是宇宙在膨胀的首个清晰证据 。 从此以后 ， 当前宇宙膨胀的速度——哈勃常数——成了宇宙学家眼中我们宇宙的关键特性之一 。
公平地说 ， 测量哈勃常数一直以来都是个难题 。 哈勃的最初测定由于存在系统性错误 ， 导致结果比实际值高出近7倍 。 1990年代 ， 教科书中提及的哈勃常数低的只有50km/s/Mpc ， 高的可达100km/s/Mpc 。 尽管近二十年来测量精度不断提高 ， 人们仍未能获得一个统一的接近正确的值 。 事实上 ， 随着这些测量水平的提高 ， 不同测量方式得出结果间存在差异的情况也越来越频繁 。
南极“冰立方”中微子天文台 ， 其任务就是寻找来自宇宙的中微子 。 在这些亚原子粒子中 ， 理论上会有一部分来自暗物质的候选者——“弱相互作用大量粒子”的衰变 。 但是至今什么都没发现 。 Martin Wolf (IceCube / NSF)
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