2022-07-13

The Elephant in the Universe: Our Hundred-Year Search for Dark Matter BY 貳團 popcorn0312

從頭讀到書的最後一頁,還是不知道宇宙大部分的組成物是什麼。暗物質挑戰人們想像的極限,也帶來許多不同觀點的思考和實驗設計。作者把這些觀點和實驗寫成25個讀起來都像是獨立的故事,道出人們如何在未知的歷史中持續探索。不能直接觀察到或聽見宇宙生成後的遺留物所帶來的訊息,就設計以間接的方法來讀取分析。被別人搶先一步發表研究令人失望,卻也振奮人心,曾被認為是虛無縹緲的物理宇宙學,終於有了點眉目。從托勒密時的本輪,經過哥白尼日心說到克卜勒,還有直到最後被送上法國大革命斷頭台的Lavoisier,主流才不得不放棄的燃素說,都讓人們對保守有所警惕。在規劃高速公路的政治討論下,搭順風車建立的義大利實驗室,歷經2009年拉奎拉大地震的蹂躪,觀測暗物質的實驗在重建中更顯奢侈。


不是凡走過的都能靠重力留下相對方便偵測推算的痕跡,有些鬼魅粒子很難以此發現他們的行蹤;就算是痛恨宇宙膨脹想法的人,也還是花很多時間在研究紅移。可能有把加速旋轉的束縛住才不致潰散的緊箍,人們將大爆炸後的宇宙質量與現在的做比較;除了暗物質,因為時代潮流而遭到反轉的性別不平等,也是天文物理學房間裡的大象,致力於像管攝譜儀觀測的Rubin,把看不見的轉化成看得見的問題,雖然大眾的注意力都在奪人耳目的土星照上。從2D到4D、麻煩耗時到有效縮短曝光時間的宇宙製圖學,為研究宇宙的浩瀚汪洋迎來革命性的大航海時代;沒來得及變身還留在宇宙中的氘告訴人們尋常的密度,但非重子且不尋常的仍舊守口如瓶。有無線電天文學的發展,才得以有21公分線和經過孔徑合成的干涉儀用於觀測,電波望遠鏡或許能竊取到其它文明的星際情報;經過如印度寓言盲人摸象一番後,重力微子和WIMPs取代微中子成為暗物質的候選人。從提出到捕獲微中子花了26年,希格斯玻色子則耗時48年,找重力波找了一個世紀,協尋可能抽薪止沸的超對稱仍需要些時間。


即使霍金曾說用電腦解決廣義相對論裡的問題會摧毀物理之美,四人幫還是搞了現在天體物理學家們的必備套件,電腦模擬;研究過程裡的異教徒不是要推翻而是想補全金科玉律,MOND如果可行,就不一定需要有暗物質的存在。用Bullet cluster來反駁MOND強而有力,強弱重力透鏡讓暗物質研究與觀測技術再邁前一步;澳洲野火摧毀實驗室和望遠鏡,也澆熄了人們研究MACHO的熱情,繼續轉戰WIMPs。假設膨脹的宇宙是完美均一且有臨界密度,研究專挑Type Ia超新星來觀測宇宙膨脹的速度;宇宙常數是愛因斯坦自認職涯中最大的錯誤,儘管Λ的概念被認為太過武斷複雜,研究人員仍然抱持開放的態度沒有完全摒棄它。除了大擠壓,也許是第五元素的暗能量為宇宙帶來大撕裂的命運,初生宇宙哭嚎後留給人們研究它形狀的參考;競爭貌似成功學的油門卻不一定是鐵律,多得是畢生流轉來去的心血灌注在歐美中、探測人性與暗物質的最深處實驗。想方設法用液態惰性氣體與低溫晶體不斷修改探測技術,加入實驗計畫的生物學家提供DNA成為靶材以測量WIMP wind方向的想法。


雖然有時基礎科學是燒掉大把納稅人錢的正當宣傳,但政治或許跟暗物質一樣無所不在,回航的哥倫比亞號爆炸,使人正視太空後勤不完備的原因,也差點斷送作者預測2040年將以丁肇中為名、更敏銳的宇宙射線探測器計畫。因興趣而起、用蜻蜓望遠鏡頭陣列的複眼看到的超稀疏星系,向研究暗物質的浪波苦海再投下數顆擾拌疑惑的震撼彈;哈伯常數讓宇宙學討論變成幾近劍拔駑張的戰場,人們不僅擔心宇宙膨脹得太快,還要煩惱它太平滑。惰性微中子和軸子是拯救研究暗物質的蒼生脫離苦海的神話英雄,也可能是壓垮駱駝的最後一根稻草,強CP問題搞不好會帶來諸神的黃昏;危機或許是轉機,確認每一顆石頭都有翻過,曾被遺漏排除掉的適時會提供另類新想法。理論方面,為了解決在模型大框架下的問題而想出的解釋解方,反而使模型變得複雜失去美感;但對於實驗,溥博奇思的假說力與粒子,是擊發實驗家設計創意的嚆矢。悖離現在主流,暗物質不存在說不定也是個大膽危險到撼動既有圭臬的主張;框架未必總相互牴觸,或然能相輔助,不只從粒子物理、也從時空角度出發,每一個當代人摸到的歷史大象都是拼湊重要的一部分。故事裡有許多用成功必定在我的意志,做即使內心清楚是成功不必會在我的事,耐人尋味的哲學。