“往这边拐。走右边那条土路。你一定要来看看。”我停下租来的车，里克·盖茨凯尔（Rick Gaitskell）指着一个简陋的木制观测台，俯瞰着南达科他州利德市的特洛伊矿。这里离他家只有一英里。暮色渐浓，我们看着一排卡特彼勒挖掘机铲起并运走山体碎片，形成一个巨大的梯田式矿坑。附近，一处平顶的山脊耸立着，那是卡车最近堆放早期挖掘出的岩石的地方。刺眼的卡车头灯映照出金星的光芒，它悬在地平线上方。
“这真是不可思议，”盖茨凯尔说。“根本停不下来。他们为了寻找黄金，真是在搬山填海。”我试图在昏暗的光线下读懂他的表情。起初，我以为他是在表达对特洛伊矿区挖掘工人的同情。严格来说，他是一名布朗大学的物理学教授，但说他也是一名同行采矿者，也并非夸大其词。
盖茨凯尔领导着一个刚刚启动了大型地下氙（LUX）实验的团队。这是一个庞大的粒子探测器，位于附近霍姆斯特克金矿（Homestake Gold Mine）地下将近一英里的深处。实际上，他正在淘洗暗物质——那种看不见的、目前仍是假说性的物质，它构成了宇宙质量的六分之五。如果他找到了，诺贝尔奖委员会很可能会找上门来。发现仅一打暗物质粒子就足以让整个现代物理学颠覆。考虑到LUX实验的建造费用约为 1000 万美元，那么暗物质的实际价格大约是每盎司一百万万亿万美元。这是一种价值连城的稀有物质。
“我寻找暗物质已经 23 年，不对，是 24 年了，”他说。他并不孤单；寻找暗物质已经发展成了一个小产业，尽管它还没有可以出售的产品。“每一次实验都报告了基本为阴性的结果。没有人确切知道这种该死的东西是否真的存在。那些家伙，”盖茨凯尔说着，向矿坑点了点头，“确切地知道黄金在哪里。”我这才明白，他并非对矿工怀有同情。他是感到羡慕。
然后，他的表情亮了起来：“这一次，结果可能不一样了。大约两周的运行后，我们预计LUX的灵敏度将超过目前世界领先的实验。在那之后，它应该能够以前所未有的方式探测暗物质粒子。与此同时，其他实验也在多个方面接近暗物质。”
在我们周围，第二种实在约束着宇宙并赋予它秩序。在我们脚下，卡车继续着不知疲倦的运转。头顶上，北斗七星闪烁着光芒。在我们周围，显然存在着第二种实在，它将宇宙联系在一起并赋予它秩序。纵观历史，没有人看到过这种看不见的结构。但在接下来的两年里，像盖茨凯尔这样的科学家或许就能将其显现出来。
触摸暗物质
如果你想亲手触碰到像暗物质这样微妙的东西，首先要做的是远离任何可能阻碍你前进的东西。这就是为什么我去LUX实验的行程始于一次令人耳膜胀痛的电梯乘坐，深入古老的霍姆斯特克金矿的耶茨竖井。地表世界充斥着来自太阳、来自深空爆炸的超新星，甚至是遥远黑洞发出的高速原子碎片。随着我每下沉一秒，那种混乱就消退一分。经过 10 分钟的下坠，我到达了 4,850 英尺的高度，走进了灯火通明的、涂成白色的隧道迷宫。直到 2002 年，霍姆斯特克一直是活跃的金矿。现在，它已被改建为桑福德地下研究设施（Sanford Underground Research Facility）。只有在这里，地表世界才足够遥远，LUX 才能发挥其作用。
暗物质研究的历史也遵循着类似的轨迹，科学家们剥离宇宙的可见部分，以确定那里还有什么。这始于 20 世纪 30 年代，当时瑞士天体物理学家弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky）测量了星系运动，并意识到即使他考虑了所有恒星和气体，似乎仍有剩余：巨大的看不见物质团块以高速牵引着星系。他称之为dunkle Materie（德语，意为“暗物质”）。
如今，暗物质的证据无处不在。一个看不见的因素使得星系旋转速度比预期更快。它使得星系团比应有的程度更弯曲和扭曲了路过的星光。它甚至似乎解释了这些星系最初是如何形成的。超级计算机模拟显示，早期宇宙中弥漫的普通物质云引力不足以聚集形成今天看到的有序星系和星系团。在相同的模拟中加入一种暗物质成分，一切就恰到好处了。
暗物质到底是什么，没有人知道。但物理学家可以准确地告诉你它不是什么：不是构成你、我以及可见世界中一切事物的普通原子。一些最令人信服的证据来自宇宙微波背景辐射的测量，这是宇宙大爆炸的余辉。在大爆炸诞生后不久，整个宇宙就像钟一样在振动，就像钟的音调反映了它的尺寸和形状一样，宇宙振动的模式精确地揭示了早期宇宙中存在的物质。令人沮丧的答案是： 15% 的物质是并且仍然是可见的，85% 是暗的。（更奇怪的是，暗物质和可见物质加在一起只占总质量的三分之一；其余的似乎是嵌入空间本身的未知能量形式。）
“当我上大学时，听说宇宙有 85% 是缺失的，我就知道我想研究它，”在桑福德设施工作的耶鲁大学研究生妮可·拉森（Nicole Larsen）说。拉森和我站在一个金属格栅上，盯着两层楼高的 LUX 探测器顶部九英尺的部分。所有看起来很酷的东西——保持设备清洁和冷却的管道，收集和处理数据的电子设备——都集中在二楼。
我们走下楼，探测器本身略显平淡，让我感到一丝失望。它看起来很像一个巨大的水箱。事实上，它就是一个巨大的水箱。它装有 70,000 加仑超纯水，可以阻挡周围岩石发出的天然放射性。水箱内悬挂着一个 70 英寸高、两吨重的钛合金冰箱，里面装着 800 磅液态氙，温度冷却至 -170°F。
考虑到其底层科学的复杂性，LUX 的概念却异常简单。“无论暗物质是什么，它肯定是以粒子的形式存在的，”盖茨凯尔说。根据主流物理学理论，暗物质是弱相互作用大质量粒子，或 WIMP。迟早，一个经过的 WIMP 应该会偶然撞击一个普通物质原子，使该原子飞出。这就像一个隐形人出门慢跑，不小心撞到另一个慢跑者而暴露自己一样。当这种情况发生在 LUX 内部的一个氙原子上时，它会发出闪光并产生微弱的电荷。罐内的探测器会寻找这种标志性的信号对，而软件会剔除其他杂音。
在其他 10 个竞争性实验中，所有实验都依赖于相同的基本碰撞原理：探测到信号，找到 WIMP，识别暗物质，赢得诺贝尔奖。LUX 会是那个赢得奖项的吗？
盖茨凯尔呻吟道。“现实情况是，你主要是在试图识别那些看起来像暗物质的普通信号。你走在技术的最前沿，所以你经常需要一边走一边学习你的探测器是如何运作的，”他说。这很容易导致错误和有争议的说法，过去二十年里已经有很多这样的情况。许多其他暗物质实验都报告了引人注目但模糊的观测结果。其中一个名为 DAMA 的实验，位于意大利，声称有 10 年的观测数据，记录了暗物质粒子掠过地球。竞争团队没有发现错误来源，但他们也无法证实该结果。
“每个人都在盯着他们，试图彻底摧毁 DAMA，”芝加哥大学的胡安·科拉尔（Juan Collar）说，他领导着另一个名为 COUPP 的暗物质探测器，该探测器目前正在加拿大安大略省萨德伯里附近的维尔克雷顿矿（Vale Creighton Mine）启动。
盖茨凯尔渴望得到更清晰的答案。“建造一个不如以往任何实验好的实验对我来说没有意义，”他说，“所以我们设计了一个规模更大、灵敏度更高的探测器。”这项搜索将从今年的 60 天试运行开始，随后进行 300 天运行。到那时，LUX 将深入未知的领域，其灵敏度将比以往的搜索提高约 10 倍。
创造暗物质
像 LUX 这样直接探测暗物质的实验很有吸引力，因为它们非常直观：要么探测器内部发生碰撞，要么不发生。但它们的简单性也带来了一些严重的局限性。如果暗物质粒子比预期的轻得多，它们可能不会出现在探测器中。即使出现了，探测器也只能提供关于其性质的一点点信息。
如果你真的想理解暗物质的物理学，你就需要创造它，以便在实验室里研究它，弄清楚它的运行机制。如果你想开始制造一种没人见过的奇异新粒子，你就需要订一张飞往日内瓦的机票，钻进另一个隧道，然后在大型强子对撞机（LHC）上工作。
这就是费米实验室（Fermilab，美国国家粒子物理学实验室）的物理学家乔·莱肯（Joe Lykken）过去六年来一直在做的事情。他的数千名同事也在做同样的事情。尽管希格斯玻色子（Higgs boson）引起了媒体的广泛关注，但发现它对 LHC 来说只是一个次要成就。彼得·希格斯（Peter Higgs）在近半个世纪前就预测了该粒子的存在，以填补被称为标准模型（Standard Model）的粒子物理学总体框架中的空白。该领域的大多数研究人员认为希格斯玻色子的存在是理所当然的。（一位麻省理工学院的物理学家私下承认，希格斯如此完美地契合模型让他“有点沮丧”）。
LHC 的真正目标是解决标准模型未能解决的一些重大问题。其中最重要的问题是：为什么引力与其它力相比如此之弱？为什么物质被任意分为两类粒子——以光子和电子为例——它们遵循不同的规则？还有，是的，暗物质是什么？
事实证明，所有这些问题可能都与一个称为超对称（supersymmetry）的理论有关。“在过去的 30 年里，我们都同意超对称是自然界最显而易见的做法，”莱肯说，因为它恢复了粒子物理学的平衡，并指明了通往长期寻求的“万有理论”的道路。超对称预测存在一个尚未探测到的第三类粒子，连接着我们已知的两类粒子。巧合的是，这一类粒子包括符合暗物质描述的粒子：大质量、稳定且不可见。因此，证明超对称正确的过程应该会带来创造暗物质并确定其精确性质的愉快副产品。这就是 LHC 发挥作用的地方。
在 LHC，物理学家们在一条长达 17 英里的地下环形隧道中加速质子束，将它们加速到光速的 99.9999991%，然后将它们碰撞在一起。在这样的速度下，质子蕴含着惊人的能量：束流蕴含的能量相当于一辆丰田凯美瑞以近乎声速行驶的能量。碰撞后，这些能量必须去向某处。它们会自发地转化为物质，产生一团粒子喷射。（物质与能量的等价性——E=mc² 的精髓——在亚原子世界中是日常现实。）任何可以用如此大的能量产生的粒子都可能出现在喷射中。
莱肯等研究人员最大的希望是暗物质粒子包含在其中。找到它们极其困难，因为粒子本身很可能在 LHC 的仪器中无形地飞过。“相反，我们寻找所谓的‘缺失能量特征’，”莱肯说。“这表明有一个或多个我们没有直接探测到的粒子。”这又是一种追踪影子的方式。
到目前为止，自 2010 年 LHC 开始碰撞质子以来进行的所有实验都一无所获。“我认为可以说，人们有点惊讶，像 LHC 这样规模宏大、大胆的仪器没有看到超对称的证据，”盖茨凯尔说。一些物理学家开始抱怨放弃该理论，但莱肯并不太担心。由于一系列技术故障——最著名的是 2008 年一次泄漏了超过六吨液氦——LHC 一直以大约一半的功率运行。去年二月，工程师关闭了机器进行重大升级。
2015 年，LHC 将以全功率重启。从技术上讲，它的能量将从 8 万亿电子伏特提升到 14 万亿电子伏特，但从概念上讲，可以说物理学家们计划将音量调到 11。“我们过去两年运行的 LHC 是在发生事故后的备用计划，”莱肯说。“所以，我们没有在 LHC 上发现超对称并不算失望，因为真正的 LHC——我们一直宣传的那个——实际上还没有到来。”
在重生的 LHC 上进行暗物质搜索将采取多种形式。在欧洲核子研究组织（CERN，建造了对撞机的欧洲物理学联合组织）工作的印第安纳大学研究科学家保琳·加农（Pauline Gagnon）正在探索推测性的“隐藏山谷”模型，其中一个完整的暗粒子平行世界将在 LHC 中出现又消失。她指出，另一个寻找暗物质的地方是希格斯玻色子衰变时产生的粒子。这个想法表明了粒子物理学发现过程的进步速度。去年，希格斯是备受瞩目的焦点，激发了夸张的新闻报道和科学极客的狂欢。到 2015 年，希格斯将成为熟悉的景观的一部分。它将成为淘洗暗物质黄金所需的泥沙。
搜寻暗物质
虽然大多数暗物质侦探都潜伏在地下，但塞缪尔·廷（Samuel Ting）则将他的研究焦点放在了地球上方 200 英里处的国际空间站。廷对等待暗物质粒子撞击原子或从地球上的探测器中射出不感兴趣；他想在太空中，在它们的“地盘”上，通过探测它们可能留下的可见痕迹来追踪它们。
乍一看，这似乎有些矛盾。如果某种东西是暗的，它怎么会是可见的呢？但就像其他粒子可能产生暗物质一样，暗物质有时也可能产生其他粒子。特别是，现有理论认为，如果两个 WIMP 粒子碰撞，它们会相互湮灭，在此过程中产生伽马射线和可探测粒子的“喷发”。
这些粒子将具有一些不寻常的特征。一方面，它们将由物质和反物质组成，最可能是电子及其反转的“双胞胎”——正电子。另一方面，这些粒子可以携带任何能量，直到某个点，但绝不会超过该点，这个极限由原始暗物质粒子的能量决定。由于质量和能量是等价的，因此该最大能量可以揭示暗物质粒子的质量。因此，这种可见信号，如果宽松地使用“可见”一词，看起来是这样的：一个意外的正电子通量，它遵循一个非常严格的能量极限。“你将知道它具有暗物质的性质，因为这种分布只能来自粒子物理学，”廷说。
在地球上，正电子一接触普通物质就会被湮灭，所以廷说，探测暗物质信号的唯一方法是在真空的太空中进行搜索。毫不奇怪，在地球大气层上方发射一个巨大的粒子探测器的想法最初引起了很大的怀疑。“没有人认为可以在太空中做到这一点，”他说。廷为此奋斗了 17 年，经历了航天飞机灾难、无数次资金挑战和几次艰巨的技术挫折，才最终实现。终于，在 2011 年，宇航员将廷的重达 18,500 磅、耗资 20 亿美元的阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）安装在了国际空间站的主桁架上。
今年春天，廷发布了前 250 亿次粒子探测的数据。他以一种坚忍乐观的语气谈论了这些模糊的结果。AMS 没有看到标志性的能量截断——廷称之为“悬崖”——尽管在悬崖之前可能有一点点变平的迹象。同样令人鼓舞的是：“我们的数据来自四面八方，”廷说，这与弥漫的暗物质一致，而不是来自一个碰巧喷射正电子的附近天文物体，例如一个塌缩的恒星。他还指出，他只收集了计划到 2028 年收集到的总数据量的 8%，这将使他能够以与 LHC 碰撞相似的能量绘制宇宙物质和反物质的图谱。“没有人去过那里，”廷说。
对于粒子搜索来说，AMS 是目前为止最好的选择——而且可能在未来二十年内都是如此。但其他研究人员也在通过太空追踪暗物质的踪迹，寻找当两个暗物质粒子碰撞时也应该出现的伽马射线。这种方法需要的措施较少，耐心也少得多：美国宇航局（NASA）已经拥有了一个名为费米（Fermi）的太空望远镜，能够探测到这种高能光爆发。
事实上，科学文献中充斥着诱人的辐射特征声称。在过去几年里，几个小组声称费米探测到了至少四种不同类型的伽马射线信号，这些信号与任何已知的天体或过程都不匹配。这似乎是暗物质的诱人证据，但报告在许多细节上存在分歧。而且许多所谓的观测结果如此微弱，以至于难以与仪器效应或随机宇宙噪声区分开来。更奇怪的是，根据传统的暗物质理论，其中一些甚至不应该被探测到。
哈佛大学的道格拉斯·芬克拜纳（Douglas Finkbeiner）花了一年中的大部分时间试图理解其中一个可能的暗物质信号，他毫不掩饰自己的沮丧。“这是一场艰难的游戏，”他说。“总的来说，我认为目前情况很混乱。”然而，在这种混乱中，他看到了通往更深层真理的进展：各种实验之间不完全匹配的事实可能表明，暗物质之谜的答案不止一个。
“我看不出暗物质怎么能仅仅是一个孤立的粒子，与其他任何东西都没有关系，”芬克拜纳说。“我认为这将打开一个全新的物理学领域的大门。”
测试暗影宇宙
芬克拜纳在哈佛-史密森学会天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）工作，那里是那些通过观测研究宇宙的科学家的堡垒。沿着花园街走 10 分钟，穿过红砖的杰斐逊实验室（Jefferson Lab），敲响哈佛大学物理学家丽莎·兰德尔（Lisa Randall）的门，你就进入了理论的世界。这是暗影世界的碎片可能开始汇聚成一个单一、连贯画面的地方。
“这只是一个全新的想法，所以研究起来很有趣，”兰德尔说。她指的是去年夏天发布的一个名为“双盘暗物质”（double-disk dark matter）的新理论。这个名字听起来像一个失败的冰淇淋口味，但远不能完全描述其意义。兰德尔和她的合作者们剥离了天文学家和物理学家们对暗物质所做的许多假设，这主要是出于对简单性的追求。
科学家们大多假设暗物质是一种粒子——但是，兰德尔问道，如果它是两种或多种混合在一起呢？他们假设暗物质基本上是惰性的，因为它几乎不与可见物质相互作用——但是，如果暗物质可以以丰富而复杂的方式与自身相互作用呢？兰德尔描述了第二种暗物质的可能性，我的后脖颈的毛都竖起来了。“可能存在原子，也可能存在某种暗化学。可能存在凝聚态物体，然后它们可能会分解成更小的物体，”她说。“它相对于我们的光是暗的，但相对于它自己的光可能不是暗的。”
兰德尔已经超越了比喻。她描述的是一个字面意义上的暗影宇宙。
暗物理学可能导致暗恒星、暗行星，甚至暗生命。在这个新的观点中，主要的暗物质成分仍然是弥漫且基本无形的，它解释了观测到的星系运动以及确立暗物质存在的所有其他证据。第二种相互作用成分则大不相同。它像可见物质一样坍缩，从而形成一个嵌入银河系可见盘中的暗盘——因此得名双盘暗物质。该盘可能受其自身的相互作用和力的支配。原则上，暗物理学可能导致暗恒星、暗行星，甚至暗生命。“有一些更疯狂的想法，我们正在研究它们，”兰德尔说。“这真是一个全新的世界。”
兰德尔和她的合作者们首先考虑的是，如果一部分暗物质比预期的更密集（正如费米伽马射线探测似乎表明的那样），但同时又未被直接探测实验注意到，会怎么样。他们的理论将解释这两部分：暗盘会坍缩成集中、扁平的形态，但它会与地球和整个星系同步旋转，就像旋转木马上的相邻马匹一样。暗盘中的粒子相对于我们几乎不会移动，因此在 LUX 这样的仪器中几乎不会引起任何反应。在一个尚未发表的双盘理论的阐述中，兰德尔和麻省理工学院的物理学家马修·麦卡洛（Matthew McCullough）甚至解释了为什么有些地下探测器能探测到暗物质，而有些则不能。
对于像里克·盖茨凯尔这样坚决以数据为导向的人来说，所有这些理论听起来都有些不着边际。“如果我能引用电视剧《豪斯医生》中的话，有时候当一个理论解释不通时，你会有第二个理论，但你应该抵制这种诱惑，”他说。盖茨凯尔的竞争对手，COUPP 的胡安·科拉尔持哲学上相反的观点：“如果我们能感知的宇宙如此丰富，为什么这个黑暗面不也同样丰富，甚至更丰富呢？”对于莱肯这样的粒子物理学家来说，一个充满多样化暗粒子的宇宙不仅是可能的，而且是合理的。“暗物质比我们已知的物质要多，”他说。“那么，为什么暗物质不应该至少和我们已知的物质一样复杂呢？”
幸运的是，兰德尔也提出了可检验的想法，而且答案也可能在未来几年内到来——甚至可能早于 LUX、LHC 和 AMS 的发言权。如果我们的银河系可见盘旁边有一个暗盘，它应该对周围恒星的运动产生可测量的影响。一个名为盖亚（Gaia）的新型欧洲太空望远镜，在记者发稿时计划于 2013 年 11 月发射，即将开始进行这些测量。
就像 80 年前弗里茨·茨威基在观察星系运动时首次瞥见暗宇宙一样，盖亚也可能揭示一个就摆在我们面前的完整的暗影世界。我的思绪又回到了特洛伊矿上方的情景。盖茨凯尔和我向下望着，想象着下方的黄金。而一直以来，暗影宇宙的证据可能就漂浮在我们头顶上，等待着有人在星辰之间注意到它。
科里·S·鲍威尔（Corey S. Powell）是《Discover》杂志的特约编辑，也是《American Scientist》的代理编辑。本文原载于《Popular Science》2013 年 11 月号。
