暗物質究竟有多可怕

授課老師：

嶽騫，

清華大學教授、 CDEX暗物質實驗負責人

。

自17世紀初牛頓力學出現，到電磁學，再到相對論、量子力學，現代科學領域出現了一個又一個里程碑，將人類的認知帶到了前所未見的高度。這些進步看似是巨匠們的一蹴而就，但實際上是由每一個科學家的研究點滴匯聚而成，從量變走到質變。

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

物理學的頭號目標

21世紀初，美國一群物理學家就聚在了一起，商討這100年物理學的待解難題。最後他們列了11項：

而在這一些世紀謎團當中，第一名是暗物質，第二名是暗能量。

不單是在美國，在歐洲學界列舉的物理學六大待解難題裡，暗物質同樣位列榜首。中國科學家也把暗物質作為未來可能取得重要突破的研究方向。

由此可見，暗物質和暗能量是當代物理學頭頂上名副其實的兩朵烏雲，也是現在最前沿的物理研究方向。

當然，若真要仔細想，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發現雖然很多，但前方的未知更多。

現有模型的成與敗

宇宙萬物千變萬化。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在特性。但從物理學的角度來看，

千變萬化的物質，其基本構成都可以用一個簡單的粒子物理標準模型描述。

在粒子物理標準模型裡，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制，構成質子、中子、電子，再建構出不同的原子、分子以及所有更復雜的物質結構。

除此之外，粒子物理標準模型中還有一種極其重要的希格斯粒子，關係到夸克和帶電輕子等粒子獲得質量的機制。希格斯粒子是2012年被實驗發現的，提出希格斯機制的兩位健在的物理學家因此獲得了2013年諾貝爾物理學獎。

憑藉這個粒子物理標準模型，我們普遍認為人類對宇宙

（尤其已知物質）

已經有了非常透徹的認識。很多物理學引數的計算，都能精確到小數點後的很多位。而人類現有的科學技術幾乎都建立在它之上。所以，粒子物理標準模型無疑是非常成功的。

然而，它也不完備。有一些現象它始終解釋不了。也正是這些解釋不了的現象，讓科學家們把目光投向超越粒子物理標準模型之外的更為廣闊的宇宙，提出暗物質存在的科學構想，激勵著科學家們向著無限的宇宙不斷進軍。

星系旋轉

這一類圍繞可見物質中心旋轉的星系，我們稱作漩渦星系。星系裡的光亮區域，代表著發光的普通物質。

我們知道，所有圍繞中心旋轉運動的物體，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，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。球轉得越快，拉力就必須越大。

按萬有引力定律，旋轉星系中離旋轉中心越遠的天體應該轉得越慢，即軌道速度越小。在太陽系裡，月亮圍繞地球旋轉、地球等行星圍繞太陽旋轉，都精確符合這個規律。

然而，我們對一些更大尺度的漩渦星系的觀測卻發現，恆星的旋轉速度異常地快，偏離了觀測到的星系的光度質量結合萬有引力定律給出的旋轉速度，但是卻還能保持星系的結構，沒有往外飛散出去。

這就意味著恆星的軌道記憶體在很多我們看不見，卻又提供了引力的物質。

這些物質無法透過常規光學辦法觀測，無論是透過可見光還是其他波段的光，包括高山大學過去參訪過的FAST，以及內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鏡等等天文望遠鏡正在探測的電磁波訊號，統統都看不到暗物質。

子彈星雲

根據廣義相對論，大質量天體足以扭曲時空、拉彎光線，導致引力透鏡效應，影響我們觀測到的深空景貌。科學家可以利用引力透鏡的效應，判斷在遙遠天體和觀測者之間是否分佈有暗物質。

這是一張著名的子彈星雲的照片。透過可見光、X射線和弱引力透鏡效應去觀測同一天區，可以得到如圖中的許多亮點、中心紫色區域和兩團藍色區域等三幅不同的物質分佈圖。

引力透鏡效應的分析揭示出：該區域物質最密集的區域，實際上是在藍色區域，而該區域發光物質並不多。這就是暗物質存在的一個非常強的天文觀測證據。

大爆炸核合成

關於宇宙中各種元素的合成，沒有暗物質的宇宙大爆炸模型，比較難解釋目前天體物理學實際測量到的氫、氦、鋰等核素的原初丰度。

相反，假定了暗物質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面支援了暗物質的存在。

暗物質的研究前沿

根據目前的研究，

普通物質約佔宇宙總質量的5%，暗物質約佔27%——剩下的約68%，全是暗能量。

這裡簡單提一下，暗能量不是物質。所謂物質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引力，用來解釋宇宙加速膨脹。至今，關於暗能量，人類的認識還非常初淺。

宇宙質量構成這些比例關係從哪裡來的呢？它們是從宇宙學、天體物理學等領域的研究

（如超新星爆發、大爆炸核合成、宇宙微波背景輻射等）

推算而來。

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

當然，由於宇宙學觀測研究的不斷深入，這些資料還會相應跟著變化。前些年大家還普遍認為暗能量佔宇宙質量的份額是73%，後來隨著更多實驗觀測結果的出現，目前大家普遍接受暗能量佔宇宙質量的份額為68%，暗物質質量份額也從23%改成了27%。

關於暗物質，現階段我們還處於初步探索的狀態。宇宙的全貌如果比作一片海洋的話，而我們人類礙於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割槽域。

但也正因為如此，科學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認知影象。天體物理學家一般從宏觀或宇觀的角度出發，而作為粒子物理學家的我們，則是從微觀的角度探知這個世界。

暗物質的定義和假設

想研究暗物質，但又對它極其不瞭解，科學上的破題辦法就是劃分區域，逐步給它建立定義。

首先，暗物質必須參與引力相互作用。

此外，暗物質不能參與電磁相互作用

（如電與光效應）

以及強相互作用

（存在於核子裡的作用力）

——不然，我們早該找到它們了。

至於粒子物理標準模型給出的四種相互作用中的最後一種力：按現有的理論，暗物質和普通物質之間有可能存在弱相互作用。這對粒子物理學家來說是個好的切入點，因為它允許了一個假設的弱相互作用過程，使得粒子物理學家可以對暗物質進行研究。

另外，暗物質必須擁有很長、很穩定的壽命。

按照一些模擬計算，暗物質在宇宙大爆炸早期就存在，並隨著宇宙膨脹而慢下來，在宇宙的演化中扮演著重要角色。

於是，理論學家們就在這樣一個初步的限制下構建了很多可能的理論出來。

當然，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果，又能預測未知的宇宙現象。

經過幾十年的探索，不同的研究結果給出了對暗物質的不同限制，如今，暗物質研究聚焦到了幾個大家都比較認可的理論上。 其中，

最主流的暗物質候選者是弱相互作用大質量粒子

（WIMP，Weakly Interacting Massive Particles）

。除此之外，軸子

（Axion）

的關注度也比較高。

縱座標：暗物質和普通物質發生相互作用的機率；橫座標：暗物質粒子的質量

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

這也意味著我們現在基本是在大海撈針，在這個巨大的暗物質引數空間裡打撈暗物質，先只能一步步縮小暗物質可能存在的範圍。

關於暗物質，我不時會聽到一些有趣的候選者：

黑洞——黑洞有質量和引力，同時不產生電磁波和光，基本滿足暗物質的要求。不過我們知道黑洞屬於正常物質，只不過因為引力太強，導致光無法逃逸。就算把黑洞定義成一種暗物質，它也只是暗物質裡很小的一部分。

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

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

暗物質的尋尋覓覓

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

思路1：親自制造暗物質

根據愛因斯坦的質能方程，能量和質量之間存在轉化的路徑。

那麼我們可以把構成普通物質的粒子加速，讓它們帶著極高的能量迎頭對撞，進而產生新的粒子；接著再從中檢視是否存在暗物質的痕跡。

歐洲瑞法邊境上的LHC大型強子對撞機，採用的就是這種辦法。不過目前暗物質研究只是LHC的副業，它的主業在於尋找類似希格斯粒子的新粒子。

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）

思路2：間接探測暗物質

當宇宙中的暗物質相互碰撞，湮滅的時候會化成一團能量，而這團能量，像前面提到的質能方程，可能轉化成可見、可探測的普通物質。

那麼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於空間粒子背景理解不符、異常的事件或現象。這些異常不一定都跟暗物質有關，但我們也有可能從中尋找到暗物質的線索。

丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀專案，就是在進行這項工作。我國常進院士領導的“悟空”暗物質衛星專案，也是在開展暗物質間接探測工作。

思路3：直接探測暗物質

根據現在的理論和觀測，銀河系等漩渦星系中暗物質就像一片海，而可見的普通物質飄浮在這片海里，類似於我們行走在空氣之中。

地球在銀河系中執行的過程中，地球上的探測器中的靶粒子會和暗物質“相撞”，並從它們身上得到一點能量，而這個能量可以變成電離訊號也可以變成熱振動訊號，或是閃爍光訊號。

那麼我們可以把暗物質粒子和普通物質相互作用後的各種引數

（比如普通物質被暗物質粒子碰撞後獲得的能量、反衝的方向、反衝核數量等）

都記錄下來，從中統計規律，再利用這些蛛絲馬跡去一點一點拼湊出暗物質的資訊。

錦屏地下實驗室中的“盤古”CDEX與“熊貓”PandaX團隊，就是採用這種方法。

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。

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

當然，也有人給在地球上開展的暗物質直接探測實驗潑冷水：“儘管銀河系中可能有暗物質，但暗物質分佈可能存在類似於肺泡的空洞結構，而太陽系正好處於一個空洞中。這樣的話，你們苦苦經營很長時間，到頭來可能只是

白忙

一場。” 這個說法可能是對的，但對於科學家來說，暗物質或許不存在，但在實驗確認之前，我們必須去找。

科研的愚公移山

換個角度想，如今絕大多數暗物質理論假設了暗物質和普通物質之間存在弱相互作用。如果假設錯了，粒子物理學家當前的工作是否都白乾了？

我認為不是的。

如果研究結果證明前面的假設錯了，也會推動科學家提出更多更新的理論，開展更精細更深入的實驗研究。

21世紀初，我剛開始做暗物質研究時的一些理論，隨著新實驗結果不斷出來，不少理論已經被證偽了。

當然科學家也會不斷提出更多的新理論出來。所有的理論，最終都需要透過實驗證明其正確性。證偽與證實、有結果和沒結果，在科學上其實都是有意義的結果。 而且在這個過程中，我們還有其他的收穫。

至於是哪一些收穫，敬請關注下一篇錦屏地下實驗室相關內容。

*以上根據嶽騫於2020年10月22日在高山大學四川錦屏山站的部分課程內容整理而成，經老師稽核後公開發布。

※作者 | 嶽騫

※整理 | 邱施運

※編輯 | 朱珍