黑暗，構成了一個世界。
——亨利·米修，《雜亂的無限》（L’Inniturbulent）
導語：黑體並不一定是黑色的，黑洞也與顏色無關：它只是無法被看到。黑被歸類為肉眼無法觀察到的物理現象，這個特點因現象而異——天空的黑色和暗能量的黑不同，但是觀察的難度也會嚴重影響歸類的結果。這時，黑不再是一種顏色，而是成了一個單義的科學術語。
物理學中有很多與黑暗相關的概念，比如“黑色的天空”“黑體”“黑洞”“暗物質”“暗能量”，正是黑暗勾起了我們的求知慾。
- 為什麼物理學家認為需要“黑化”這些概念？
- 這個從普通語言中借用的詞彙是什麼意思？
- 它對科學語言的制定是無足重輕且毫無影響，還是其中隱約包含著某種隱喻？
- 物理學中的黑概念會因為它們的“黑”而擁有特殊性嗎？
- 對於那些構想出這些黑概念的人來說，“黑”這個字在我們這個時代的科學文化中又意味著什麼呢？
“黑”
幾百年來，黑色的天空讓天體物理學家們魂牽夢縈；黑體輻射之謎是量子力學的起源；黑洞理論極具特殊性，在人們發現它的效應之前，天體物理學家就已經為之興奮；暗物質是解決星系和星系團運動異常的假說；而暗能量則可以解釋宇宙加速擴張的原因！關於這些黑概念存在進一步思考，然而這些可能和它們的黑化並沒有直接關係。
黑，一定是因為光的完全缺失。但是在物理學中，黑卻有特殊的意義。黑體並不一定是黑色的，黑洞也與顏色無關：它只是無法被看到。黑被歸類為肉眼無法觀察到的物理現象，這個特點因現象而異——天空的黑色和暗能量的黑不同，但是觀察的難度也會嚴重影響歸類的結果。這時，黑不再是一種顏色，而是成了一個單義的科學術語。
就好像物理學家關於黑概念的學說都有一個黑色影像的光圈如影隨行。在物理學家做論證時，他必須擺脫這些黑色的影像，才能使自己的理論建立在清晰和鮮明的概念與精細的公式和算法上，可是這並不表示這些黑色的影像不存在，它們必定存在於物理學家無盡的遐想當中。
因此為了理解這些黑概念，不僅需要分析物理學是如何把“黑”這個形容詞的字面意思，做了深刻的變化，還要闡釋這個既可以表顏色的形容詞，又可以用作科學短語的詞彙是如何獲得這些含義的。
每一個黑概念都對應著一個黑色的圖像，就像是通過語言將影子投射在想象中一樣。掌握這些黑概念的物理學家可以不去理會這些黑色的圖像，但是這恰好證明他必須在這些影像干擾科學思維的時候將它們擺脫掉，或者在被它們激發起好奇心時將它們昇華。因為我們無法用這些圖像來完成推理，但是也無法將思維和圖像完全分離。
“看”
為什麼物理學會將一些物質看成黑色的呢？為了回答這個問題，我們首先要知道“看”在物理學中是什麼意思。
長久以來，物理學家不再通過自己的肉眼感覺來觀察現象，而是使用工具：從伽利略的天文望遠鏡到各種顯微鏡、分光鏡，再到最近的粒子加速器。這些探測儀器可以讓我們與一些本來無法感知到的現象進行互動。著名的“觀察者”就是一個機器。科研人員會首先介入，做出預測，準備實驗並校準探測器，在觀察之後，說明結果，糾正自己的假說，並得出必要的結論。
19世紀，實證主義者們依然將實驗作為檢驗先驗現象的衡量標準，然後試圖用數學規律對現象進行描述。在當代科學研究中，“新的現象不是簡單地被發現，而是被創造，被一點一點建立起來的。”研究者不是觀察“事實”，而是根據理論的數學結構，通過使用高精準的技術來創造“效果”。因此，“看”意味著在物理理論的基礎上創造現象技術，而這個現象技術（可能）會使一些新的現象甚至預想不到的現象顯現出來。
乍一看，這樣的觀察方式只適用於粒子物理學這樣的實驗科學，而不適用於天文學這樣的觀測科學，因為在觀測科學中，我們無法按照自己的意願創造現象。然而，現象技術不只應用於粒子加速器，也同樣出現在天文觀測臺。
（圖源：NASA Goddard）
研究者們通過信號來觀察宇宙，這些信號有時很微弱，它們的波長不在可見光譜的範圍內，甚至是靠光子以外的其他粒子來傳播的。研究者的儀器可以讓我們看到肉眼不可見的現象。基於抽象的假設和複雜的運算，天文學家制造出一些高端的儀器來蒐集隱藏於其他波長中的信息。“看”的含義始終是“與現象進行互動，對這個互動進行測量並從中獲得與現象相關的信息”。
第一個信息的傳播媒介是光，科學家自然而然地在他們的非正式語言中保留了和視覺相關的詞彙。然而大部分的時間裡，被研究的現象不是與光、聲波或中微子相互作用，而是與其他頻次的電磁波相互作用。即使光不再參與互動，現象技術也必須能夠接收和計量與被觀測的系統互動時所產生的信息。
現在，我們已經確定了“看”對於一個物理學家意味著什麼，那麼我們就能毫不費力地猜出他賦予“黑”的含義：基本上，就是他看不到或者看不清的東西。
事實還是空想
在物理學中，黑代表抵抗探測的物質，不會和電磁波相互影響的物質，或者該物質與電磁波以某種方式發生互動，而以我們目前擁有的現象技術無法接收到相關信息。
- 黑色天空的謎團已經用它自己的方式提出了疑問：恆星的光本應該從各個方向到達我們的眼中，可我們為什麼卻感知不到呢？
- 黑體將所有的電磁波吸收卻不發出任何反射；
- 黑洞是一個實心的天體，這所有人都知道，它使光線無法逃脫引力的影響（物質自然也一樣）；
- 暗物質是一個關於物體質量與光線不會相互影響的假設；
- 最後，暗能量可能是最晦澀的概念：它不僅無法被觀察到，而且還可能是對抗萬有引力的一個力量來源。
所有這些黑概念，雖然混雜，但從概念層面講，總和“黑”或“暗”有一些關聯:它們被應用在物理學家無法看到的現象上。它們的情況難以闡明：這究竟是事實，還是暫時無法證實的理論可能，抑或只是空想？
羅蘭·勒烏克（Roland Lehoucq）法國原子能委員會天文學家，宇宙拓撲學專家，任教於巴黎政治學院。
文森特·博滕斯（Vincent Bontems）法國科學哲學家，在法國原子能委員會實驗室工作。
（本文經授權摘編自北京聯合出版公司·未讀探索家出版的《給好奇者的暗黑物理學》（2018年9月，[法]羅蘭·勒烏克 文森特·博滕斯/著，張芳/譯）前言。
文章頭圖及封面圖片來源：blog.soton.ac.uk
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