短缺质量之谜

短缺质量之谜

科学家们所做的有关亚原子物理的观测和实验，大部分是在地球上完成的。那么，我们怎样才能知道这些结果是否同样适用于其他世界——通常所说的星星或者宇宙呢？

为了达到这一目的，首先，我们直接研究了月球、火星和金星的表面，并通过发射装有先进仪器设备的火箭探测器，研究了我们所在的太阳系中其他天体的表面——尽管尚未做到实际的直接接触。我们甚至还获得了以陨石的形式到达地球的宇宙物质碎块。但是没有一项调查能够为我们提供任何有关亚原子的意外发现。科学家们十分肯定，太阳系中所有的行星类天体都是由与地球相同的物质组成的，因此，必定遵循相同的法则。

但是，看起来与太阳系中所有其他成员差别如此之大的太阳，它的情况如何呢？从太阳来到我们身边的带电粒子，大部分是质子，也有中微子，这些都是我们预料中的粒子。

那么，太阳系以外的宇宙又是怎样的呢？1987年，我们曾经接收到大麦哲伦星云中爆发的超新星释放出来的中微子，而我们还经常接收到来自宇宙的宇宙线（大部分是质子和α粒子)。这些粒子表明，宇宙也遵循我们在地球上已经得出的法则。

我们从宇宙中获得的最重要的信息一般都是以光子的形式出现的。我们确实看见了太阳和星星，甚至看见了距我们几十亿光年的星系。我们也能探测到由于能量太高或太低而使肉眼无法看见的光子——γ射线、X射线、紫外线、红外线以及无线电波。

我们根据获得的光子就可以清楚地知道那些发射这些光子的天体的化学结构。天文学家感到非常满意的是，组成恒星和星系的物质与组成太阳的物质很相像。组成太阳的物质又与地球上的物质相像（考虑到太阳的温度要高得多)。

但是，我们真的看到或感觉到这些光子确实存在吗？宇宙中是否存在着不辐射光子的物体呢？确实没有！宇宙中的每一个天体都处于平均宇宙温度（约为3 K)的空间环境中，这就意味着几乎每个天体都会辐射光子。但是，有些辐射由于强度不够或能量不够，而使我们无法捕捉到。

有许多恒星非常昏暗，除非离我们相当近，否则即使我们使用目前最好的仪器也无法看到它们。在其他星系中当然也有行星，其表面与我们太阳系中的行星表面一样寒冷，它们所辐射出的微弱的无线电波被淹没在其围绕的恒星的光辉里了。

不管怎么说，认为宇宙的绝大部分质量是以恒星的形式存在，这似乎是很合理的。而由于其太冷、太微弱致使我们不能觉察到的那部分质量，其数量不是很大。举例来说，在我们所处的太阳系中，所有围绕太阳的行星、卫星、小行星、彗星、流星以及尘埃，只占太阳系总质量的0.1%，而太阳则占了另外的99.9%。似乎有充分的理由可以证明，总的说来其他恒星相对于围绕它们的天体，也像太阳系那样，占绝对的支配地位。

当然，在宇宙中可能存在某些地方，那里的条件非常极端，以至于我们所得出的自然法则不一定会得到遵循。最有可能发生这种情况的地方便是黑洞。在那里，物质被压缩成密度接近无穷大的状态，并产生了一个引力强度接近无穷大的小区域。然而，我们还不能详细地研究黑洞，到目前为止，我们甚至还不能完全无误地识别出任何一个黑洞。但是，假如黑洞存在的话，它们可能遵循着某些我们尚未得知的法则。

在宇宙诞生后的最初瞬间还存在着另一方面的不确定性，当时的情况非常极端，我们的物理理论框架也许不太适用。（关于这一点我将在稍后作简要说明。)然而，似乎没有任何事物能永远不令人感到惊奇。我们研究的所有来自外部宇宙的光子都是电磁相互作用的产物，而惊奇则来自另一种长程相互作用——引力的影响。

我们无法探测到引力子，但是我们可以探测到引力对恒星和星系运动所产生的效应。我们可以测出旋转中的星系结构不同部分的旋转速度。我们假定这种旋转运动是由星系内的引力驱动的，就像太阳系中行星的旋转运动是由太阳的引力效应驱动的一样。

由于太阳系99.9%的质量都集中在太阳中，因而太阳的引力效应遍及太阳系中其他所有的一切。除了做一些小小的修正外，只需要考虑这种效应即可。行星距太阳愈远，太阳的引力对它的影响程度就愈小，它运转的速度也就愈慢。这种运动速度随距离而变的结论最早是由德国天文学家开普勒（Johannes Kepler，1571—1630)于1609年得出的，并于1687年由牛顿用万有引力定律加以解释。

正如太阳系那样，星系的质量也都集中于各自的中心，虽然不像太阳系那样极端。随着人们逐渐接近星系的中心，我们可以看见的恒星数量也愈来愈多，由此似乎可以得出一个合理的结论：所有大星系的大约90%的质量都包含在位于核心的一个相当小的体积内。因此，我们可以认为，围绕星系中心旋转的恒星，随着它们逐步远离中心，运转的速度会愈来愈慢。但是，这种情况并没有出现。显然，星系中的恒星，在做远离中心的运动时，仍以几乎相同的速度运行。

没有一个科学家想要放弃重力定律（虽然它已被爱因斯坦的广义相对论修正、扩展，但是并没有被代替)，因为似乎没有任何其他定律能代替它来解释宇宙中普遍发生的现象。所以，我们必须假设星系的质量并不集中在核心，而是比较平均地分布在整个星系中。但是，我们看到的质量又都是以恒星的形式出现的，是很集中的，这究竟是怎么回事呢？

我们可以得出的唯一结论就是：在核心外围必定还存在着我们看不见的物质。它就是“暗物质”。它没有释放任何能让我们感觉得到的光子，但是却发挥其引力效应。事实上，从引力的角度来看，我们不得不认为，星系的质量可能比由其辐射出的光子看到的质量重许多倍。在对星系的旋转进行研究之前，我们显然没有察觉到星系的大部分质量。

另一种观点是：星系以星系团的形式存在。在星团内部（每个星团可能由数十至数千个星系组成)，每个单独的星系就像一群蜜蜂一样，不停地运动。星系团则依靠组成星系团的各个星系之间引力的相互吸引聚集在一起，但是星系的质量——如果只算通过我们所能探测到的光子看到的质量——显然不能提供足够的引力使星系团维系在一起。然而，星系团显然是能够维系在一起的。所以，一定还有我们没有察觉到的质量。星系团愈大，我们不能确定的质量也就愈大。宇宙的质量很可能是我们能够看到的质量的100倍。这种现象就是人们所说的“短缺质量之谜”。这究竟是怎么一回事呢？

最简单的答案是，假定每个星系中都含有大量较小的、非常昏暗的恒星、行星和尘云。问题在于这种假设并不合理，因为根据我们了解的宇宙情况来看，如果上述假定成立，这些物质所占比例似乎非常大，其质量可达我们所见的恒星总质量的100倍。

那么，就让我们深入到亚原子世界。就我们所知，大约90%的宇宙质量由质子构成。在数量上与质子相当或超过质子的亚原子粒子仅有电子、光子和电子型中微子几种。电子的数量与质子相等；而光子和电子型中微子，各自的数量均为质子的10亿倍。但是，电子仅有很微小的质量，光子和电子型中微子则根本没有自身质量。电子、光子和电子型中微子都在快速运动着，并具有与其质量相当的运动能量，但是产生能量的质量却极小——小到可以忽略不计。这就使得质子成为唯一的宇宙质量物质。

那么是否可以认为短缺质量是由我们所不知道的另外一些质子构成的呢？答案似乎是不！天文学家们有办法估算出宇宙中的质子密度，因此，我们可以确定在星系和星团所占据的区域内有多少看得见或看不见的质子。目前存在的质子数量最多只占短缺质量的1%。可见，无论短缺质量是什么，都不可能是质子。

那么剩下的就只有电子、光子和电子型中微子了。我们可以十分肯定，电子和光子不可能提供短缺质量，但对于电子型中微子我们就不那么肯定了。

1963年，一个日本科学家小组提出，电子型中微子可能具有微小的质量，比如只是电子质量的多少分之一。如果真是这样的话，那么μ子型中微子可能具有稍大一些的质量，而τ子型中微子的质量则更大。所有这些质量可能都很小，但不完全是零。

如果情况真是这样的话，那么中微子以小于光速的速度运动——虽然可能小得不多——而且每种中微子的运动速度都略有不同。因此，三种不同味的中微子会发生振荡，从一种味迅速转变成另一种味。

这就意味着，如果有一束电子型中微子从太阳出发，大约8分钟后，它将结束它的1.5亿千米的行程到达地球，这时，出现在地球上的将是由相同数量的电子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子组成的中微子束。

这确实是十分有趣的，因为几十年来，莱因斯一直在使用只能探测到电子型中微子的装置探测来自太阳的中微子。如果中微子是在振荡的，那么他接收到的中微子束应该只含1/3的电子型中微子，而不是全部电子型中微子。他只探测到了1/3的中微子，这就能解释为什么他接收到的电子型中微子数目总是那么少。

1980年，莱因斯宣布，他所做的实验使他有理由相信，确实存在振荡现象，而且中微子的确具有很小的质量。如果真是这样的话，那么不仅能解释来自太阳的中微子短缺现象，而且能够解释短缺质量之谜。宇宙周围有无数个中微子在浮动，尽管每个中微子的质量只是一个电子质量的1/10 000，但这足以使中微子的总质量达到宇宙中质子总质量的100倍。此外，这种质量微小的中微子也许可以用来解释星系最初是如何形成的。这是一个至今一直令天文学家感到头痛的问题。

可能存在质量微小的中微子的结论会使许多问题基本得以解决，这使得人们宁愿相信这一想法是正确的。唯一的问题在于至今还没有人能证实莱因斯的报告。一般来说，应该认为他的想法是错误的。无论一个理论多么完美、多么令人满意，但如果它不适用于宇宙，那就必须被放弃。

然而，即使短缺质量既不是质子也不是中微子，但它似乎总是存在的。那么，它究竟是什么呢？近年来，物理学家们一直在致力于能使强相互作用与电弱相互作用统一起来的理论研究。这些理论中，有些需要发明一些新的奇特粒子。也许用这些至今从未被观测到的，而只存在于某些富于幻想的科学家们脑海里的粒子，就能说明短缺质量。如果这样，我们就必须等待可以支持这些先锋派理论的实际观测结果了。