本文來自微信公眾號：高山大學(xué)（ID：gasadaxue），作者：岳騫（清華大學(xué)教授、 CDEX暗物質(zhì)實驗負(fù)責(zé)人）（2007年5月15日，美國宇航局報告說，一個天文學(xué)家小組利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，探測到了位于遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中呈環(huán)狀分布的暗物質(zhì)。天文學(xué)家們稱，這是迄今為止能證明暗物質(zhì)存在的最強(qiáng)有力的證據(jù)。）

（以下根據(jù)岳騫于2020年10月22日在高山大學(xué)四川錦屏山站的部分課程內(nèi)容整理而成，經(jīng)老師審核后公開發(fā)布。）

自17世紀(jì)初牛頓力學(xué)出現(xiàn)，到電磁學(xué)，再到相對論、量子力學(xué)，現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一個又一個里程碑，將人類的認(rèn)知帶到了前所未見的高度。這些進(jìn)步看似是巨匠們的一蹴而就，但實際上是由每一個科學(xué)家的研究點滴匯聚而成，從量變走到質(zhì)變。

無論研究工作多繁忙，科學(xué)家們總希望能在類似世紀(jì)之交這樣的重要時刻共聚一堂，好好梳理科學(xué)的最新發(fā)展，思考人類在茫茫真理大海中未來走向何方。

物理學(xué)的頭號目標(biāo)

21世紀(jì)初，美國一群物理學(xué)家就聚在了一起，商討這100年物理學(xué)的待解難題。最后他們列了11項：

而在這一些世紀(jì)謎團(tuán)當(dāng)中，第一名是暗物質(zhì)，第二名是暗能量。不單是在美國，在歐洲學(xué)界列舉的物理學(xué)六大待解難題里，暗物質(zhì)同樣位列榜首。中國科學(xué)家也把暗物質(zhì)作為未來可能取得重要突破的研究方向。

由此可見，暗物質(zhì)和暗能量是當(dāng)代物理學(xué)頭頂上名副其實的兩朵烏云，也是現(xiàn)在最前沿的物理研究方向。

當(dāng)然，若真要仔細(xì)想，我們身邊其實還存在非常多我們回答不了的問題，如宇宙的起源、生命的起源等，這幾百年來人類取得的科學(xué)發(fā)現(xiàn)雖然很多，但前方的未知更多。

岳騫在高山大學(xué)錦屏山站授課中

現(xiàn)有模型的成與敗

宇宙萬物千變?nèi)f化。不同種類的生命體，甚至同一種生命體之間，都存在著極其多元的外在樣貌與內(nèi)在特性。但從物理學(xué)的角度來看，千變?nèi)f化的物質(zhì)，其基本構(gòu)成都可以用一個簡單的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型描述。

在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型里，6種夸克、6種輕子像是蓋樓的磚塊瓦片，而4種傳遞力的玻色子，則扮演著把磚瓦粘在一起的水泥的角色。它們藉由不同的組合和作用機(jī)制，構(gòu)成質(zhì)子、中子、電子，再建構(gòu)出不同的原子、分子以及所有更復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

除此之外，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中還有一種極其重要的希格斯粒子，關(guān)系到夸克和帶電輕子等粒子獲得質(zhì)量的機(jī)制。希格斯粒子是2012年被實驗發(fā)現(xiàn)的，提出希格斯機(jī)制的兩位健在的物理學(xué)家因此獲得了2013年諾貝爾物理學(xué)獎。

憑借這個粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，我們普遍認(rèn)為人類對宇宙（尤其已知物質(zhì)）已經(jīng)有了非常透徹的認(rèn)識。很多物理學(xué)參數(shù)的計算，都能精確到小數(shù)點后的很多位。而人類現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)幾乎都建立在它之上。所以，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型無疑是非常成功的。

然而，它也不完備。有一些現(xiàn)象它始終解釋不了。也正是這些解釋不了的現(xiàn)象，讓科學(xué)家們把目光投向超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外的更為廣闊的宇宙，提出暗物質(zhì)存在的科學(xué)構(gòu)想，激勵著科學(xué)家們向著無限的宇宙不斷進(jìn)軍。

星系旋轉(zhuǎn) 

這一類圍繞可見物質(zhì)中心旋轉(zhuǎn)的星系，我們稱作漩渦星系。星系里的光亮區(qū)域，代表著發(fā)光的普通物質(zhì)。

我們知道，所有圍繞中心旋轉(zhuǎn)運動的物體，都需要有一股力把它拉向中心。就像我們用一根繩子拽著悠悠球快速旋轉(zhuǎn)，繩子必須對球施加拉力才能不使球飛出去，從而保持圓周運動。球轉(zhuǎn)得越快，拉力就必須越大。

按萬有引力定律，旋轉(zhuǎn)星系中離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)的天體應(yīng)該轉(zhuǎn)得越慢，即軌道速度越小。在太陽系里，月亮圍繞地球旋轉(zhuǎn)、地球等行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，都精確符合這個規(guī)律。

然而，我們對一些更大尺度的漩渦星系的觀測卻發(fā)現(xiàn)，恒星的旋轉(zhuǎn)速度異常地快，偏離了觀測到的星系的光度質(zhì)量結(jié)合萬有引力定律給出的旋轉(zhuǎn)速度，但是卻還能保持星系的結(jié)構(gòu)，沒有往外飛散出去。這就意味著恒星的軌道內(nèi)存在很多我們看不見，卻又提供了引力的物質(zhì)。

這些物質(zhì)無法通過常規(guī)光學(xué)辦法觀測，無論是通過可見光還是其他波段的光，包括高山大學(xué)過去參訪過的FAST，以及內(nèi)蒙古錫林郭勒盟大草原上國家天文臺明安圖觀測站的射電望遠(yuǎn)鏡等等天文望遠(yuǎn)鏡正在探測的電磁波信號，統(tǒng)統(tǒng)都看不到暗物質(zhì)。

子彈星云

根據(jù)廣義相對論，大質(zhì)量天體足以扭曲時空、拉彎光線，導(dǎo)致引力透鏡效應(yīng)，影響我們觀測到的深空景貌。科學(xué)家可以利用引力透鏡的效應(yīng)，判斷在遙遠(yuǎn)天體和觀測者之間是否分布有暗物質(zhì)。

這是一張著名的子彈星云的照片。通過可見光、X射線和弱引力透鏡效應(yīng)去觀測同一天區(qū)，可以得到如圖中的許多亮點、中心紫色區(qū)域和兩團(tuán)藍(lán)色區(qū)域等三幅不同的物質(zhì)分布圖。

引力透鏡效應(yīng)的分析揭示出：該區(qū)域物質(zhì)最密集的區(qū)域，實際上是在藍(lán)色區(qū)域，而該區(qū)域發(fā)光物質(zhì)并不多。這就是暗物質(zhì)存在的一個非常強(qiáng)的天文觀測證據(jù)。

大爆炸核合成

關(guān)于宇宙中各種元素的合成，沒有暗物質(zhì)的宇宙大爆炸模型，比較難解釋目前天體物理學(xué)實際測量到的氫、氦、鋰等核素的原初豐度。

相反，假定了暗物質(zhì)存在的大爆炸核合成理論，得出的推論卻和實驗觀測相對較好的吻合。這方面的理論和實驗研究也從側(cè)面支持了暗物質(zhì)的存在。

暗物質(zhì)的研究前沿

根據(jù)目前的研究，普通物質(zhì)約占宇宙總質(zhì)量的5%，暗物質(zhì)約占27%——剩下的約68%，全是暗能量。

這里簡單提一下，暗能量不是物質(zhì)。所謂物質(zhì)必須參與引力相互作用，而暗能量提供的是一種類似排斥作用的負(fù)引力，用來解釋宇宙加速膨脹。至今，關(guān)于暗能量，人類的認(rèn)識還非常初淺。

宇宙質(zhì)量構(gòu)成這些比例關(guān)系從哪里來的呢？它們是從宇宙學(xué)、天體物理學(xué)等領(lǐng)域的研究（如超新星爆發(fā)、大爆炸核合成、宇宙微波背景輻射等）推算而來。

一些實驗結(jié)果可能將物質(zhì)和暗能量的比例限制在20-70%的區(qū)間，而另一些研究成果則可能要求10-40%；把多方面的實驗聯(lián)合起來分析，最終就得到一個大家普遍接受的宇宙質(zhì)量構(gòu)成。

當(dāng)然，由于宇宙學(xué)觀測研究的不斷深入，這些數(shù)據(jù)還會相應(yīng)跟著變化。前些年大家還普遍認(rèn)為暗能量占宇宙質(zhì)量的份額是73%，后來隨著更多實驗觀測結(jié)果的出現(xiàn)，目前大家普遍接受暗能量占宇宙質(zhì)量的份額為68%，暗物質(zhì)質(zhì)量份額也從23%改成了27%。

關(guān)于暗物質(zhì)，現(xiàn)階段我們還處于初步探索的狀態(tài)。宇宙的全貌如果比作一片海洋的話，而我們?nèi)祟惖K于有限的理解和觀察手段，不同的研究只是探索這片海洋的一小部分區(qū)域。

但也正因為如此，科學(xué)家們正試圖用更豐富的手段、在更寬廣的物理空間中探測它，希望共同拼砌出一個更完整的暗物質(zhì)認(rèn)知圖像。天體物理學(xué)家一般從宏觀或宇觀的角度出發(fā)，而作為粒子物理學(xué)家的我們，則是從微觀的角度探知這個世界。

暗物質(zhì)的定義和假設(shè)

想研究暗物質(zhì)，但又對它極其不了解，科學(xué)上的破題辦法就是劃分區(qū)域，逐步給它建立定義。

首先，暗物質(zhì)必須參與引力相互作用。

此外，暗物質(zhì)不能參與電磁相互作用（如電與光效應(yīng)）以及強(qiáng)相互作用（存在于核子里的作用力）——不然，我們早該找到它們了。

至于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型給出的四種相互作用中的最后一種力：按現(xiàn)有的理論，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)之間有可能存在弱相互作用。這對粒子物理學(xué)家來說是個好的切入點，因為它允許了一個假設(shè)的弱相互作用過程，使得粒子物理學(xué)家可以對暗物質(zhì)進(jìn)行研究。

另外，暗物質(zhì)必須擁有很長、很穩(wěn)定的壽命。按照一些模擬計算，暗物質(zhì)在宇宙大爆炸早期就存在，并隨著宇宙膨脹而慢下來，在宇宙的演化中扮演著重要角色。

于是，理論學(xué)家們就在這樣一個初步的限制下構(gòu)建了很多可能的理論出來。

當(dāng)然，理論模型首先必須邏輯自洽，但除此之外，它們更需要接受實驗的檢驗，既能解釋已知的實驗結(jié)果，又能預(yù)測未知的宇宙現(xiàn)象。

經(jīng)過幾十年的探索，不同的研究結(jié)果給出了對暗物質(zhì)的不同限制，如今，暗物質(zhì)研究聚焦到了幾個大家都比較認(rèn)可的理論上。

其中，最主流的暗物質(zhì)候選者是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP，Weakly Interacting Massive Particles）。除此之外，軸子（Axion）的關(guān)注度也比較高。

縱坐標(biāo)：暗物質(zhì)和普通物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率；橫坐標(biāo)：暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量

從這張圖可以看到，候選暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量從極小的10^-33GeV/c²，一路延伸到了極大的10¹⁸GeV/c²。相比之下，生命體的質(zhì)量從最小的細(xì)胞（約10¹⁴GeV/c²）到最大的鯨魚（約10³²GeV/c²），變化范圍要窄得多。

這也意味著我們現(xiàn)在基本是在大海撈針，在這個巨大的暗物質(zhì)參數(shù)空間里打撈暗物質(zhì)，先只能一步步縮小暗物質(zhì)可能存在的范圍。

關(guān)于暗物質(zhì)，我不時會聽到一些有趣的候選者：

黑洞——黑洞有質(zhì)量和引力，同時不產(chǎn)生電磁波和光，基本滿足暗物質(zhì)的要求。不過我們知道黑洞屬于正常物質(zhì)，只不過因為引力太強(qiáng)，導(dǎo)致光無法逃逸。就算把黑洞定義成一種暗物質(zhì)，它也只是暗物質(zhì)里很小的一部分。

中微子——它也基本符合暗物質(zhì)的定義，但單就已知的常規(guī)中微子而言，它們同樣不是暗物質(zhì)的主體。不過惰性中微子現(xiàn)在還沒有研究透，還存在變數(shù)。

反物質(zhì)——反物質(zhì)則跟暗物質(zhì)完全不是一回事。反物質(zhì)是普通物質(zhì)，參與引力相互作用，一樣參與電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。只不過和我們生活中的普通物質(zhì)的基本組成單元相比，除質(zhì)量相同外，其它眾多物理量，包括電荷等正好相反。

暗物質(zhì)的尋尋覓覓

有了好的問題，也擬好了合理的假設(shè)，下一步就是開展研究去找答案，問題是怎么找？

思路1：親自制造暗物質(zhì)

根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，能量和質(zhì)量之間存在轉(zhuǎn)化的路徑。

那么我們可以把構(gòu)成普通物質(zhì)的粒子加速，讓它們帶著極高的能量迎頭對撞，進(jìn)而產(chǎn)生新的粒子；接著再從中查看是否存在暗物質(zhì)的痕跡。

歐洲瑞法邊境上的LHC大型強(qiáng)子對撞機(jī)，采用的就是這種辦法。不過目前暗物質(zhì)研究只是LHC的副業(yè)，它的主業(yè)在于尋找類似希格斯粒子的新粒子。（推薦閱讀《舉世矚目的粒子對撞機(jī)，原來是在擲骰子？ 》）

思路2：間接探測暗物質(zhì)

當(dāng)宇宙中的暗物質(zhì)相互碰撞，湮滅的時候會化成一團(tuán)能量，而這團(tuán)能量，像前面提到的質(zhì)能方程，可能轉(zhuǎn)化成可見、可探測的普通物質(zhì)。

那么我們可以探測太空中四面八方的粒子，從中捕捉一些和我們對于空間粒子背景理解不符、異常的事件或現(xiàn)象。這些異常不一定都跟暗物質(zhì)有關(guān)，但我們也有可能從中尋找到暗物質(zhì)的線索。

丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀項目，就是在進(jìn)行這項工作。我國常進(jìn)院士領(lǐng)導(dǎo)的“悟空”暗物質(zhì)衛(wèi)星項目，也是在開展暗物質(zhì)間接探測工作。

思路3：直接探測暗物質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)在的理論和觀測，銀河系等漩渦星系中暗物質(zhì)就像一片海，而可見的普通物質(zhì)飄浮在這片海里，類似于我們行走在空氣之中。

地球在銀河系中運行的過程中，地球上的探測器中的靶粒子會和暗物質(zhì)“相撞”，并從它們身上得到一點能量，而這個能量可以變成電離信號也可以變成熱振動信號，或是閃爍光信號。

那么我們可以把暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)相互作用后的各種參數(shù)（比如普通物質(zhì)被暗物質(zhì)粒子碰撞后獲得的能量、反沖的方向、反沖核數(shù)量等）都記錄下來，從中統(tǒng)計規(guī)律，再利用這些蛛絲馬跡去一點一點拼湊出暗物質(zhì)的信息。

錦屏地下實驗室中的“盤古”CDEX與“熊貓”PandaX團(tuán)隊，就是采用這種方法。

不過這個方法存在一個前提——地球所在的銀河系存在暗物質(zhì)。

所幸的是，在銀河系內(nèi)，太陽系等天體繞著銀河系中心繞轉(zhuǎn)的速度同樣不符合牛頓力學(xué)。這就意味著太陽的繞轉(zhuǎn)軌道里可能存在著暗物質(zhì)，也就是銀河系中存在暗物質(zhì)。

當(dāng)然，也有人給在地球上開展的暗物質(zhì)直接探測實驗潑冷水：“盡管銀河系中可能有暗物質(zhì)，但暗物質(zhì)分布可能存在類似于肺泡的空洞結(jié)構(gòu)，而太陽系正好處于一個空洞中。這樣的話，你們苦苦經(jīng)營很長時間，到頭來可能只是白忙一場?！?/p>

這個說法可能是對的，但對于科學(xué)家來說，暗物質(zhì)或許不存在，但在實驗確認(rèn)之前，我們必須去找。

科研的愚公移山

換個角度想，如今絕大多數(shù)暗物質(zhì)理論假設(shè)了暗物質(zhì)和普通物質(zhì)之間存在弱相互作用。如果假設(shè)錯了，粒子物理學(xué)家當(dāng)前的工作是否都白干了？

我認(rèn)為不是的。如果研究結(jié)果證明前面的假設(shè)錯了，也會推動科學(xué)家提出更多更新的理論，開展更精細(xì)更深入的實驗研究。

21世紀(jì)初，我剛開始做暗物質(zhì)研究時的一些理論，隨著新實驗結(jié)果不斷出來，不少理論已經(jīng)被證偽了。

當(dāng)然科學(xué)家也會不斷提出更多的新理論出來。所有的理論，最終都需要通過實驗證明其正確性。證偽與證實、有結(jié)果和沒結(jié)果，在科學(xué)上其實都是有意義的結(jié)果。

本文來自微信公眾號：高山大學(xué)（ID：gasadaxue），作者：岳騫