距地面逾半英里深的地下,有一條半透明的銀色岩鹽帶,這是約兩億五千萬年前,英國北部陸緣海蒸發後留下的遺蹟。如今,這裡有一間實驗室,一位年輕的物理學家正試圖望向虛空。
他坐在電腦螢幕前,近旁有一個巨型銀色立方體,是drift探測裝置,一個呼吸捕捉器。他正奮力捕捉遠在地球若干光年之外,由天鵝座傳來的粒子風那微弱的呼吸。
這位青年物理學家要找尋一種特殊物質在宇宙中存在的證據,這種物質實在神秘莫測,目前為止,我們所有想要探究或呈現它的努力,都被它吞噬得一乾二淨。它不與光溝通,甚至不一定存在,我們稱這種物質為——「暗物質」。位於地下深處的這個實驗室是他唯一能開展研究的地方。上方三千英尺厚的岩鹽、石膏、白雲石、泥岩、粉砂岩、砂岩、黏土和表層土,讓這裡與世隔絕。
他的工作真是個悖論,要研究星辰,必須遠離太陽。不過,有時黑暗讓人看得更清楚。
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二十世紀三十年代初,一位名叫弗裡茨·茲威基(fritzzwicky)的瑞士天文學家在加州理工學院用望遠鏡研究星系團時,發現了一個極為異常的現象。星系團是因引力而聚集在一起的星系,茲威基的工作之一就是,測量多個星系繞星系團中心旋轉的軌道速度,進而推算出星系團的整體質量。茲威基發現,星系的旋轉速度比預計要快得多,尤其是那些靠近外緣的。理論上,這樣的速度產生的離心力會打破星系之間的引力束縛,使星系團解體。
茲威基認定,只可能有一種解釋——還有某種質量巨大的引力源存在,它在所有可觀測天體高速運轉的情況下維持著星系團的穩定。究竟是什麼提供瞭如此強大的引力場,能把這麼多星系繫結在一起?為什麼他無法觀察到這些「缺失質量」呢?茲威基沒有找到答案,可自從他提出這些問題,一場持續至今的「捕獵」便開始了。那些「缺失質量」就是「暗物質」,證明暗物質的存在並瞭解其性質,是現代物理學追尋的「聖盃」之一。
該如何尋找暗物質呢?它有質量,因此能產生引力,但它並不輻射、反射或吸收光。自茲威基以來,關於暗物質存在的一切依據都是靠推斷獲得的,人們沒有直接探測到暗物質,只能根據發光天體這類可觀測物件所受的影響來分析。想了解這種無影無蹤的物質,只能透過它出現所帶來的後果,而不是其本身。
比方說,我們現在已經知道,暗物質會影響旋渦星系的自轉曲線,使星系中所有天體無論距引力中心多遠,都以大致相當的速度旋轉。我們還知道,暗物質會讓經過星系附近的光發生彎曲,造成「引力透鏡效應」。愛因斯坦(alberteinstein)在廣義相對論中提出,質量會導致時空彎曲,而光線會沿著彎曲的空間傳播,因此當光經過像星系這樣的大質量實體附近時,就會發生比較明顯的彎曲。不過正如之前所說,茲威基觀測到的星系團旋轉速度極快,光的彎曲程度也非常大,這種現象僅歸因於星系中的可見物質,是解釋不通的。因此,一定存在某種沒有被觀察到的物質。它們大量存在於可見星系周圍,能夠彎曲時空、製造引力透鏡效應,卻又不可見,天體物理學家稱之為「暗物質暈」。
這類觀察表明,宇宙中僅有約百分之五的物質是可被觸控、可被看見,或可被儀器觀測到的。這些物質構成了石頭、水、骨頭、金屬、大腦,構成了木星上的氨氣風暴和土星的碎石環。天文學家將這些物質命名為「重子物質」,因為它們的質量主要由質子和中子這兩種常見重子組成。據推測,約百分之六十八的宇宙質量由「暗能量」構成,這種神秘力量似乎加速了宇宙的持續膨脹。剩餘約百分之二十七則由暗物質構成,其粒子與重子物質之間幾乎不發生任何作用。
暗物質對宇宙中的所有存在都至關重要,它將所有結構凝聚在一起。沒有暗物質,超星系團、星系、行星、人類、跳蚤和細菌都將不復存在。證明和解碼暗物質的存在,正如肯特·邁耶斯(kentmeyers)所言,相當於「發現一種新秩序、一個新宇宙,在那裡,對光明和黑暗的認知都將被顛覆」。
暗物質物理學家的工作,處於可觀測世界與想象世界的邊緣。他們不斷追蹤暗物質在可觀測世界留下的蛛絲馬跡。這種工作是艱難的、帶有哲學性質的,需要耐心,甚至需要某種信仰。身兼暗物質物理學家和詩人雙重身份的麗貝卡·埃爾森(rebeccaelson)說:「所有的一切,彷彿都是螢火蟲/通過它們,你能窺見整片草地。」
目前,人們推測最有可能構成暗物質的粒子是「弱相互作用大質量粒子」(weaklyinteractingmassiveparticle),簡稱wimp。據估計,wimp質量很大(是質子質量的一千多倍),它們形成於宇宙誕生之後的幾秒內,數量極其龐大,從而產生宇宙中那些無法被觀測到的巨大質量。
wimp和有「幽靈粒子」之稱的中微子一樣,對重子物質的世界視而不見。每一秒鐘都有數以萬億計的wimp穿過我們的五臟六腑和大腦。中微子也在不碰觸任何單個原子的情況下,以類似的方式穿過地殼、地幔和堅實的鐵鎳地核。對這些粒子來說,我們才是幽靈,我們的世界才是影子世界,由看不見的網路構成。物理學家面臨的最大挑戰是如何驅使這種難以捉摸的粒子參與實驗,如何編織一張網捉住這些「迅敏的魚」。解決方案之一就是到地下去。世界各地都建立了地下實驗室來偵測wimp,偵測中微子與重子物質發生作用的證據,這些實驗就像在尋找鬼魂。而將實驗室安置在地底深處,是因為周圍的岩石能夠遮蔽物理學家口中的「噪音」。
日常粒子在空氣中滾動產生了「噪音」。原子世界中,每天都有大量粒子在空氣中穿梭,非常喧鬧。放射性活動的「聲音」更是震耳欲聾,宇宙射線渺子也是噪音之一。要捕捉那微乎其微甚至幾近不存在的聲音,耳邊有人敲著大鼓肯定不行。要聽到宇宙誕生之初的那一聲呼吸,從實驗角度來說,你必須到地下去,沉入宇宙中最安靜的地方。
在日本某個廢棄礦場地下半英里處,有一個已有兩億五千萬年曆史的片麻岩石穴,這裡建有一個不鏽鋼池,裡面裝著五萬噸超純水。一萬三千個光電倍增管像一隻巨大的複眼,密切觀察著這些水,尋找微閃的藍光。這種藍光叫「切倫科夫輻射」。當一個原子被中微子撞擊,原子的電子會向四處散開,其速度可超光速。這些四散的電子被稱作「湮滅產物」,它們在水中移動時會產生短暫的藍光。光電倍增管組成的複眼尋找的,是「幽靈粒子」存在的間接證據:不是中微子本身,也不是被撞擊的原子或四散的電子,而是原子遭遇「幽靈撞擊」後留下的藍色光暈——湮滅的餘暉。這個片麻岩石穴被稱為「瞭望臺」,儘管位於地下深處,它的職責卻是「占星」——持續監測銀河系中的超新星是它的眾多工之一。
在美國南達科他州一個已經採空了的露天金礦裡,有一座六英尺高的真空倉,裡面裝著過冷液氙,真空倉的周圍是盛有七萬一千六百加侖去離子水的鋼焊池。這裡也設定了光電倍增管,捕捉因偶然的wimp撞擊產生的單個光子和電子。氙氣是惰性氣體,原子半徑較大。低溫條件下,氙的密度會變得極大,那些大質量原子緊緊挨在一起,形成更加緊密的橫截面,這樣一來,粒子穿過時,發生wimp撞擊的可能性就提升了。這裡地形傾斜,原本是為了尋找稀有且昂貴的金屬而開鑿的,現在尋找仍在繼續,目標卻變成了另一種物質,它超出我們的想象,卻在現世毫無價值。
英國約克郡海岸的小村莊伯畢附近,有一處一九七三年開始運營的鉀鹼和岩鹽礦,其下更深處的鹽穴裡,正在進行一場名為「軌道定向性反衝識別」(directionalrecoilidentificationfromtracks)的暗物質探測實驗,簡稱drift。
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尼爾·羅利將他的地下世界地圖在桌上攤開,用四塊石頭分別壓住四角,每放一塊便念出石頭的名字:鉀鹽、岩鹽、雜滷石、方硼石。他將地圖從中心向四周撫平。尼爾是礦場安全專家,曾在煤礦工作,現在又來到鉀鹽礦。他喜歡詩人w.h.奧登(wystanhughauden),也喜歡地圖和採礦。
尼爾的地圖記錄了伯畢礦場的巷道和避難洞,乍看像蜻蜓的翅膀一樣,紋路精巧、結構複雜。慢慢地,我的目光陷進了它精密的編碼之中。
地圖上,英格蘭東北海岸線是一條從西北綿延到東南的淡淡灰線:與實際地形無關,在這張圖上,它只起定位的作用。就伯畢來說,兩個圓圈標出嵌入基岩的兩個礦井,由此進入複雜的地下通道網。該通道網從中心分別向東北和西南蔓延,形成了蜻蜓的兩翅。通道的西南支處於荒野和山谷下方,延伸至北約克郡深處。東北支則在北海下伸展,越過大洋航線,抵達遼闊的公海。
伯畢礦場的巷道和地道網路被稱作「水平巷道網」,它嵌在鹽礦和鉀礦帶中,全長六百多英里。礦帶在海洋和陸地下延伸,於地表形成開採工作面,每時每刻都有工人和機器從礦層中掘出數噸的鉀礦,由傳送帶倒進送料斗。這些二疊紀時期的海洋殘留物由此開啟新的旅程,終點是世界各地的農田。鉀礦將作為肥料撒到田裡,為作物生長提供必要的鉀元素,滋養南北半球「一年兩度」的春天。
門迪普的地下是水流沖刷的迷宮,伯畢的地下則是人工挖掘的迷宮。我從地縫來到了巷道。
尼爾的地圖用紅線標出了鹽礦巷道,黑線則是鉀礦巷道。黃色方框代表避難室,設定在地下通道兩側的牆壁內,牆壁上用泡沫塑膠隔熱,若發生塌方或地下火災,可以到這裡暫避危險。
「雙翅」舒展,一側在海底,另一側在荒野下方,細細的綠線從兩翼延伸出去。這是礦業地質學家為了探測礦物位置和儲量而鑽的小孔。測量結果將決定此地開採的走勢,也就是「翅膀」的延伸方向。
「你得明白,地下通道網是傾斜的。」尼爾一邊說,一邊用手指著地圖,從一側「翅膀」劃到另一側。「礦道是傾斜的,因為鉀礦層本身有傾斜角度,地下通道要隨著鉀礦走。」
內陸的鉀礦傾斜著延伸至荒野的腹地,深約四千五百英尺。最接近地表處則在大海支線的最遠端,位於船運通道外,深度為兩千六百英尺左右。溫度隨著深度變化。兩千六百英尺深處,溫度為三十五攝氏度。到了四千五百英尺深處,則為四十五攝氏度。這兩處的地熱都非常強,空氣溼度相當低,人很容易脫水,汗水往往還沒流出來就蒸發了。礦工們就像正午時在撒哈拉沙漠勞動,只不過這裡一片漆黑。
尼爾說:「每次輪班,礦工都要帶上一個裝著四升冰水的水箱。他們有飲水時間表。得一直喝水,才會比較安全。」
「我們走吧,看能不能搭升降梯下去,找找暗物質。之後還要走很長一段,才能到達海下開採工作面。」
戴好護耳器,掛好防塵面罩,口袋裡裝著編了號碼的三角銅牌——這是准入證明,不能弄丟,否則就出不去了。黃色的升降梯門唰地關上,開始下降,雖然很平穩,我還是感到一陣心口上提的失重感。通風機房的隆隆聲漸弱,升降梯在加速。降到半程,迎面與另一架上升的升降梯錯身而過,一陣顫動。空氣在兩架升降梯之間被擠壓,發出呼嘯之聲,就像兩列相向的火車交錯時的聲響。慢,慢,慢,砰,停了。升降梯門鏗地開啟,呼喊聲傳來:「捂好耳朵,開燈!捂好耳朵,開燈!」
塵土在氣流中旋轉飛舞,濃到舌尖可以嚐出鹹味。
水平巷道漆黑的入口指示著方向,在大海下方,我們走進了二疊紀。
牆上的一個氣閘開啟了,這裡就是實驗室。
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年輕的物理學家坐在電腦前仔細看著天鵝座傳來的訊號。他叫克里斯托弗·託斯,實驗室的白大褂對他來說太大了。克里斯托弗說話沉穩而清晰,為人謙遜有禮,溫文爾雅。也許某種程度上,這些特質源於他對時間問題經年累月的思考。
實驗室的牆上,黃黑相間的警戒帶標示出一個個暗門的輪廓,高度不過大腿,相鄰兩段警戒帶之間間隔十五英尺左右。每個警戒帶標出的暗門上方都用兩個鉤子掛著一把長柄斧。
鹽的伽馬射線非常低,是優質絕緣體。如果要研究很難和物質相互作用的大質量粒子,把自己關在一個被鹽包圍起來的地方,最合適不過。但鹽有很強的易變性,它會隨著時間流動,會匯聚成堆,也會塌陷。如果在岩鹽層鑿出一個洞室,其上方是三千英尺厚的基岩,那麼這個洞室會慢慢變形——頂部會塌陷,四壁會凸出。地心引力將奪回屬於它的空間。在伯畢地下實驗室工作的科學家們深知,這並不是長久之計,安全工作的時間是有限的。研究深時,動作要快。
「萬一發生塌陷,那些就是緊急出口。」克里斯托弗模仿空乘人員解釋安全條例的手勢,指向用警戒帶標示出的小門,「這兒,這兒,還有這兒……一旦實驗室塌方,就立刻抓起斧子,鑿開牆壁和鹽層,到安全的地方去。」
他頓了頓,笑著說:「嗯,至少理論上是這樣。」
目前實驗室裡進行著幾項不同的實驗,其中之一是測試岩石樣本,為放射性廢料長期埋藏做技術性研究。另一項是「渺子斷層掃描技術」研究,目的是利用宇宙射線中的高穿透性帶電粒子(渺子)。渺子能夠穿過厚厚的岩石層,可以用來探測一些物體的深層結構,比如火山內部,或者金字塔中心。藉助渺子,我們能透視石頭。這些實驗都非常令人矚目,但若說哪一項實驗可稱為「冠上明珠」,無疑是drift。
克里斯托弗帶著我走向實驗室一角,那裡是一個drift探測裝置。「這是我的地下水晶球,」他邊說邊比了個手勢,仿若魔術師正揭開謎底,「也叫‘時間投影室’。」
名字如此恢宏,但乍看之下實在貌不驚人——一個大金屬盒子,隨意地套著幾個黑色的垃圾袋。
「我發現了,你這水晶球的關鍵外層結構是垃圾袋。」我說。
「說笑了,」克里斯托弗回答,「不過,你絕對想不到,事實證明,膠帶和垃圾袋對許多科學突破至關重要。」
他將實驗過程解釋給我聽:「我們知道,暗物質質量很大,相當大。因此,儘管我們看不見組成它的粒子,這些粒子卻具有質量,這意味著它們至少會偶爾與我們能看見的粒子發生碰撞。碰撞就會導致原子核散射。drift的首要目標便是探測這些碰撞,追蹤四散的原子核。」
說到這兒,他停了一下,我耐心地等著。此刻,億萬箇中微子正穿過我們的身體,進而穿過地球的基岩、地幔、流動的地下物質,以及它堅硬的核心。
「想象一下,你正在看一場檯球比賽,你能看見紅球,但看不見白球。突然,一枚紅球——一個電子——在臺面上滾過。通過觀測紅球的路線,你就有可能反向追蹤到撞擊它的那枚無形的白球,也就是wimp。這樣一來,也許就能瞭解到白球的移動方向、質量和性狀。這樣的實驗,我們希望能做得足夠多,且足夠精確,從而找到暗物質暈的訊號。」
drift探測裝置的中心是一個一米見方的鋼製真空倉,其內以一毫米為間隔,交錯設定著超細高電荷線網。如果一個wimp和倉內普通物質的原子核發生碰撞,便會產生一條電離軌跡,線網會使它顯像並記錄下來。之後,研究人員可以對電離軌跡進行三維重建,分析出發生碰撞的粒子型別和來源資訊。線網處在一團低壓氣體裡,這些氣體被儲存在一個傳導室中,傳導室則被鋼製中子隔離罩包裹——所有這些都被放置於古海洋蒸發後留下的一條岩鹽帶裡。
之後的幾年裡我將慢慢明白,儘管具體規則或有不同,但這種層層巢狀的「中國套盒」式結構,昭示著地下世界中埋藏人或物的普遍程式。比如,古埃及的埋葬儀式:人們將死者的主要器官放在某個雕著鷹頭的卡諾皮克石罐裡,然後把石罐放在彩繪木箱裡,木箱封存於墳墓中,而墳墓在金字塔內;再比如對核反應堆鈾廢料的掩埋:人們把廢棄鈾芯塊封在鋯棒裡,鋯棒封在銅柱裡,銅柱封在鐵缸裡,鐵缸包裹在膨潤土漿裡,最後將它們儲存在地下深處的岩層裡,放入數千英尺深的片麻岩、花崗岩或岩鹽之中。
克里斯托弗帶我來到他的書桌前。電腦的屏保圖片是加拿大落基山脈的路易斯湖,湖水如綠松石一般。他拿給我一張圖表,表上是從「時間投影室」返回的資料。上面有幾種不同顏色的線,還有一條細細的黑線,斜著與綵線相交。
「這條斜線是阿爾法粒子的路徑。」克里斯托弗用小指指著那條線說,「這是個大塊頭的重量級選手,在我們的實驗裡,它無論走到哪都會搞出很大動靜。不過我們對它並不感興趣。目前看來,分辨阿爾法粒子的訊號,只不過讓我們瞭解了什麼是不需要的東西。」
「我們努力傾聽的,其實是被它的大吵大嚷遮蓋的,那些輕聲細語。甚至都算不上輕聲細語,更像是輕柔至極的呼吸。在岩鹽層之下的這裡,大概是唯一能聽到這種呼吸聲的地方了。那是wimp經過的聲音——它會留下一條淡淡的痕跡。我們認為wimp撞擊看上去會像是兩個光點,兩條軌道一邊一個。」
克里斯托弗用手指尖挑出兩個點,一個在黃線上,一個在粉線上。他停了一下,屏保圖片換成了高飽和度的白色海灘,碧海銀沙,椰林樹影。與此同時,天鵝座的wimp風正穿過我們的身體。
他說:「熟悉了之後,你會發現這個資料非常美。」我贊同地點了點頭。
克里斯托弗說:「現在,你看到的是宇宙中最小尺度的事件。那些彩色的線就是我們的放大鏡。」
這時,彷彿這句話突然進入他的腦海並留下一條軌跡,他說道:「一切都會產生火花。」之後便陷入短暫的沉默。
「你為什麼要尋找暗物質呢?」我問。
克里斯托弗不假思索道:「為了拓展我們的認知邊界,為了賦予生命意義。如果不去探索,我們就相當於什麼也沒做,只是乾等著而已。」
他又沉默了。我等著。電腦屏保圖片切換成了秋天的美國優勝美地國家公園,酋長巖上覆蓋著初雪。克里斯托弗沒有說話。
「尋找暗物質是不是一種類似信仰的行為?」我問他。
他等著我繼續說下去——他被問過這個問題,回答前想聽聽我還會說些什麼。屏保圖片又變成了奈米比亞索蘇維來的沙丘。
我想到了伯畢西部的裡沃茲修道院,它位於一個肥沃的河谷,是西多會修士為了舉行彌撒而修建的。修士們用鐵礦石建造了高聳的牆壁和漂亮的穹頂,結構輕盈。類似的修道院遍佈世界各地,形成了一張大網。在網中,人們對著一個並不輕易回應的至高存在祈禱著。
在修道院後的山坡上,被稱作「滑動裂隙」的地質結構在岩石中緩緩開合,噴射出地底的溫熱氣息。寒冷的天氣裡,那山坡像在呼吸,彷彿大地也有了生命。在西多會修士來到這個河谷的幾千年以前,新石器時代和青銅器時代的人們就曾在這些滑動裂隙中舉行儀式。這些儀式跟宗教信仰有關,也可能涉及獻祭。死者的遺骨被放入裂隙的岩石中,這也是一種「湮滅產物」。
我想起美國南達科他州黑山的風洞系統,那是印第安蘇族拉科塔部落的聖地,那附近廢棄金礦的地下深處,還有美國暗物質探測實驗室。風洞在地底延伸了一百三十多英里,從洞口到風洞深處,空氣不斷湧入,或者說被某種力量吸進來,風力足以將帽子從頭上刮落。在拉科塔族人的創世傳說裡,人類最初是從風洞來到地面的,地上世界的色彩和空間令他們驚詫萬分。
我對克里斯托弗說:「我的感覺是,尋找暗物質催生出了各種複雜而精妙的猜想,由此誕生的實驗室就像禮拜場所,組成一個網路,一切都是為了探尋這種極擅隱藏自己的宇宙隱秘物質。這更像是某種宗教,而不是科學。」
「從小到大我都是一個非常虔誠的基督徒,」克里斯托弗說,「遇到物理學後,我一度喪失了信仰,如今它又以一種完全不同的形式重生了。的確,就試圖發現的物件和已有的相關知識而言,我們這些研究暗物質的人相比其他科學家,所掌握的證據要少得多。至於上帝,如果真有那樣一種神性的存在,它一定完全超出了科學探究和人類想象的範疇。」
他再次沉默。這樣的思考對他來說並不難,他早已想過許多遍。只不過,對每一個措辭他都非常謹慎。
「我願意相信的神性,不可能通過任何我們認為是‘證據’的東西來展現自己。」他指了指顯示器上的讀數,接著說,「如果有神,我們是不可能找到它的。如果我發現了某個關於神的證據,我會立刻產生懷疑,因為真正的神一定更聰明,不會留下把柄。」
我問他:「現在人們知道,每一秒都有一百萬億個中微子穿過我們的身體、大腦和心臟,這會改變我們對世界的感受嗎?它會改變你對物質的理解,還有你對真正重要的東西的看法嗎?我們在世界的各個表面踏出的每一步,都沒掉落下去;每次觸控什麼東西,也從沒有穿過它,這些會讓你覺得奇怪嗎?」
克里斯托弗點了點頭。他在思考。他的屏保圖片變成了中國桂林黃昏時分的喀斯特峰林,因背光而露出剪影,這種照片在各類圖片分享平臺上非常受歡迎。
「週末,如果天氣好,我會和妻子出去散步。沿著附近的峭壁漫步時,我會想,我們的身體其實是張網眼很大的網,腳下的峭壁也是網。這種感覺很奇妙,就像我們突然發現自己正走在水面或雲層之上。有時我還會想,如果我對此一無所知,又會是什麼樣呢?」克里斯托弗說。
他再次陷入沉默。顯然,他的思緒已經飛出了這小小的巖洞,甚至超出了已知的宇宙。
「不過,最讓人驚奇的依然是,我竟能夠像現在這樣握住愛人的手。」
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那天返程時,尼爾把車開得彷彿正在參加巴黎—達喀爾拉力賽,一輛破得連門都沒了的福特「全順」商用車,行駛在一座綿延六百多英里的迷宮般的地下荒漠中。還有幾周尼爾就要退休了,但他一點兒也不在乎。
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《念念遠山》