中國(guó)錦屏地下暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)室。光明圖片/視覺(jué)中國(guó)
中國(guó)首顆暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”已經(jīng)在軌運(yùn)行一年了，據(jù)介紹已經(jīng)取得了不少成果�？茖W(xué)家們相信，這些成果將會(huì)為最終解開(kāi)暗物質(zhì)之謎作出貢獻(xiàn)。光明圖片/視覺(jué)中國(guó)
2016年11月，理論物理學(xué)界的“大咖”、荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的理論物理學(xué)家艾瑞克·瓦爾林德（Erik Verlinde）發(fā)表論文，稱(chēng)引力是由真空的量子糾纏熵呈展而來(lái)的，原先認(rèn)為由暗物質(zhì)造成的引力效應(yīng)其實(shí)源于真空和暗能量中存在額外的熵。這一理論猜想再次引發(fā)了暗物質(zhì)是否存在的討論。那么，暗物質(zhì)是否存在？其他科學(xué)家如何看待這個(gè)問(wèn)題？
暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)之路
要想回答“暗物質(zhì)是否存在”這個(gè)問(wèn)題，首先讓我們來(lái)看看“暗物質(zhì)”是如何被發(fā)現(xiàn)的。
茫茫宇宙中，發(fā)光的星體只是一個(gè)個(gè)可見(jiàn)的孤島，宇宙中的絕大部分是黑暗和混沌的。宇宙中零星存在一些不發(fā)光的物質(zhì)本屬平常之事，然而隨著天文學(xué)觀測(cè)進(jìn)入高精度時(shí)代，人們認(rèn)識(shí)到整個(gè)宇宙中的物質(zhì)是被某種不發(fā)光的神秘物質(zhì)主導(dǎo)的——它和我們目前已知的任何一種物質(zhì)都不同，而人類(lèi)迄今了解的所有形形色色的物質(zhì)，只是物質(zhì)世界冰山的一角。
Dark Matter中文譯為“暗物質(zhì)”，最早由荷蘭天文學(xué)家、恒星天文學(xué)的先驅(qū)者卡普頓（J.Kapteyn）在1922年提出，指可通過(guò)星體的運(yùn)動(dòng)間接推斷出的其周?chē)赡艽嬖诘牟豢梢?jiàn)物質(zhì)。但卡普頓對(duì)太陽(yáng)系附近星體運(yùn)動(dòng)的研究未能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的確鑿依據(jù)。1933年，美國(guó)加州理工大學(xué)的天體物理學(xué)家茲維基（F.Zwicky）首次在實(shí)驗(yàn)中找到出暗物質(zhì)存在的證據(jù)——他利用光譜紅移測(cè)量了后發(fā)座星系團(tuán)中各個(gè)星系相對(duì)于星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度，發(fā)現(xiàn)它們運(yùn)動(dòng)得太快，以至于僅靠星系團(tuán)中可見(jiàn)星系的質(zhì)量提供的引力無(wú)法將它們束縛在一起。他由此推斷，后發(fā)座星系團(tuán)之所以能夠保持現(xiàn)在的狀態(tài)，其中應(yīng)該存在大量暗物質(zhì)，并且其質(zhì)量至少為可見(jiàn)星系的百倍以上（雖然后來(lái)更精確地研究證明只有十倍左右，但他得出暗物質(zhì)為主的結(jié)論依然正確）。
然而這一革命性的結(jié)論在當(dāng)時(shí)未能引起學(xué)術(shù)界的重視，但之后不斷有研究支持他的觀點(diǎn)。決定性的證據(jù)出現(xiàn)在1970年，其時(shí)，美國(guó)天體物理學(xué)家魯賓（V.C.Rubin）和福特（W.K.Ford）對(duì)仙女座大星云中星體旋轉(zhuǎn)速度的研究取得了重大突破——這讓學(xué)術(shù)界認(rèn)識(shí)到，暗物質(zhì)的確大量存在，并逐漸成為學(xué)術(shù)界的主流觀點(diǎn)。這兩位科學(xué)家利用高精度的光譜測(cè)量技術(shù)，能夠精確地探測(cè)到非常遙遠(yuǎn)的星體和星際氣體繞星系的旋轉(zhuǎn)速度和距離的關(guān)系。簡(jiǎn)單地說(shuō)，按照牛頓萬(wàn)有引力定律，如果星系的質(zhì)量主要集中在星系核心區(qū)的可見(jiàn)星體上，那么星系外圍的星體的速度將隨著距離而減小。但觀測(cè)結(jié)果卻表明在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，星系外圍的星體的速度是恒定的。這意味著要么牛頓萬(wàn)有引力定律是不正確的，要么星系中有大量的不可見(jiàn)物質(zhì)、分布在星系的非核心區(qū)，并且其質(zhì)量遠(yuǎn)大于發(fā)光星體的質(zhì)量總和。
存在暗物質(zhì)是學(xué)術(shù)界主流觀點(diǎn)
經(jīng)過(guò)大量的后續(xù)研究，暗物質(zhì)存在這一推論逐漸被天文學(xué)界廣泛認(rèn)可。但正如前文所說(shuō)，觀測(cè)到的現(xiàn)象也有可能意味著萬(wàn)有引力定律是需要修改的，而并非由暗物質(zhì)引起。荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的理論物理學(xué)家艾瑞克·瓦爾林德就在這條路上進(jìn)行了新的探索，并取得了部分成功。但目前尚未找到一個(gè)修正的萬(wàn)有引力定律的理論，能夠統(tǒng)一解釋主要的觀測(cè)事實(shí)，尤其是解釋宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成以及微波背景輻射中的擾動(dòng)。
而引入“暗物質(zhì)”的概念來(lái)理解這些觀測(cè)事實(shí)，要相對(duì)容易得多。應(yīng)該說(shuō)，存在暗物質(zhì)仍然是目前學(xué)術(shù)界的主流觀點(diǎn)。
暗物質(zhì)雖不可見(jiàn)，但我們能通過(guò)其他方式發(fā)現(xiàn)它們存在的蛛絲馬跡。比如，星系團(tuán)中普遍存在能發(fā)射出X-射線的熾熱氣體，如果沒(méi)有足夠的引力，氣體將很快“逃出”星系團(tuán)并消散。因此，科學(xué)家通過(guò)氣體的溫度，就能推測(cè)出星系團(tuán)的質(zhì)量——大量的星系團(tuán)X-射線觀測(cè)數(shù)據(jù)表明星系團(tuán)質(zhì)量遠(yuǎn)大于其中發(fā)光部分的貢獻(xiàn)，這就說(shuō)明有大量暗物質(zhì)存在。再比如，根據(jù)廣義相對(duì)論，引力能導(dǎo)致光線彎曲。如果暗物質(zhì)大量存在，其所產(chǎn)生的引力必然會(huì)改變“路過(guò)”它們的光線的走向。科學(xué)家在天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，我們看到的星系的形狀和它們的實(shí)際形狀不相符，這說(shuō)明星系發(fā)出的光線“變形”了，因此推測(cè)星系團(tuán)中可能存在大量暗物質(zhì)。這些不同方法得出的結(jié)論基本保持一致，且可以互相印證。
在宇宙尺度上，科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)微波背景輻射確定宇宙中暗物質(zhì)的總量：目前的觀測(cè)表明宇宙總物質(zhì)的85%以上由暗物質(zhì)貢獻(xiàn)，構(gòu)成天體和星際氣體的常規(guī)物質(zhì)只占15%。
暗物質(zhì)，已知的和未知的
然而我們對(duì)暗物質(zhì)屬性的了解仍然很少——目前我們只知道暗物質(zhì)不是什么，但并不知道它是什么——暗物質(zhì)應(yīng)是有質(zhì)量的，能夠參與引力相互作用，但單個(gè)暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量大小還不知道；暗物質(zhì)應(yīng)該很難衰變，因?yàn)樵谟钪娼Y(jié)構(gòu)形成的不同階段都有暗物質(zhì)存在的證據(jù)，其壽命起碼要長(zhǎng)過(guò)宇宙年齡；暗物質(zhì)基本不參與電磁相互作用，暗物質(zhì)與光子的相互作用必須非常弱，以至于其基本不發(fā)光；數(shù)值模擬表明暗物質(zhì)也不可能高速運(yùn)動(dòng)，否則宇宙無(wú)法在引力作用下形成目前的星系、星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)；暗物質(zhì)不可能是常規(guī)致密天體，比如中子星和黑洞，因?yàn)槲⒁ν哥R的巡天觀測(cè)研究顯示，宇宙中這類(lèi)不發(fā)光的致密天體的總量是很小的。
更重要的是，暗物質(zhì)不應(yīng)是常規(guī)物質(zhì)，即不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。人類(lèi)已知的物質(zhì)世界幾乎全部由原子核，即質(zhì)子和中子構(gòu)成，并且這種常規(guī)物質(zhì)的總量是確定的——這可由原初核合成理論計(jì)算得出，并與觀測(cè)結(jié)果令人吃驚地相符合。因此如此大量的暗物質(zhì)不可能來(lái)自常規(guī)物質(zhì)，它是一種完全未知的新的物質(zhì)類(lèi)型。
我們已知的所有常規(guī)物質(zhì)都能夠用粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解釋?zhuān)滴镔|(zhì)的存在對(duì)這一模型的完備性提出了巨大的挑戰(zhàn)。曾經(jīng)有推測(cè)，中微子的性質(zhì)和暗物質(zhì)的性質(zhì)接近，中微子或許就是暗物質(zhì)。但更多的研究表明，中微子不是暗物質(zhì)——它幾乎以光速運(yùn)動(dòng)，與暗物質(zhì)低速運(yùn)動(dòng)的特征不符合。由此，標(biāo)準(zhǔn)模型中再?zèng)]有合適的暗物質(zhì)候選者，這明確提示我們：當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)模型還不是一個(gè)統(tǒng)一描述物質(zhì)世界的完備理論。
為了找到這種完備的理論，物理學(xué)家都在努力探索著，提出了很多新理論。比如，超對(duì)稱(chēng)理論就是最近比較流行的一種新理論。這種理論認(rèn)為，最輕的超對(duì)稱(chēng)粒子是暗物質(zhì)粒子。再比如，也有理論認(rèn)為，暗物質(zhì)可能是軸子，是一種與對(duì)稱(chēng)性破缺相聯(lián)系的粒子。
目前世界各國(guó)都在集中力量探測(cè)暗物質(zhì)屬性，我國(guó)也正在積極推進(jìn)這方面研究工作。我國(guó)已經(jīng)在四川錦屏建成了小型暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，這里具有得天獨(dú)厚的有利條件，位于錦屏山地表2500米之下，是目前世界上最深的地下探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，能很好地屏蔽各種宇宙射線背景的干擾。在這里，由清華大學(xué)負(fù)責(zé)的CDEX探測(cè)器和由上海交通大學(xué)負(fù)責(zé)的PandaX探測(cè)器正在進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)能力位居世界前列。同時(shí)，我國(guó)也在開(kāi)展暗物質(zhì)空間探測(cè)——我國(guó)第一顆暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”已經(jīng)在軌道空間收集了一年的數(shù)據(jù)。相信這些探測(cè)將會(huì)為最終解開(kāi)暗物質(zhì)之謎作出貢獻(xiàn)。
魯賓曾說(shuō)：星系中不可見(jiàn)物質(zhì)與可見(jiàn)物質(zhì)的比例大約為10：1，這大抵也是人類(lèi)對(duì)未知世界與已知世界的比例，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)只是剛剛走出幼兒園而已。暗物質(zhì)問(wèn)題是籠罩在21世紀(jì)科學(xué)之上的一朵烏云，為了驅(qū)散這朵烏云，科學(xué)家們正在努力著。
（作者：周宇峰，系中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員）
【延伸閱讀】
尋找暗物質(zhì)的三種方法
暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探測(cè)手段大致有三種方法：一是空間探測(cè)，即通過(guò)宇宙星系中暗物質(zhì)的湮滅或微衰變產(chǎn)生的次級(jí)粒子如正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子、光子等進(jìn)行探測(cè)；二是在深部地下實(shí)驗(yàn)室的低輻射本地環(huán)境下，探測(cè)暗物質(zhì)與原子核的可能的碰撞散射過(guò)程；三是加速器實(shí)驗(yàn)，即在高能對(duì)撞機(jī)上直接產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子并進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于軸子類(lèi)型的暗物質(zhì)，可以通過(guò)其在強(qiáng)磁場(chǎng)中光子的產(chǎn)生進(jìn)行探測(cè)。
空間探測(cè)是一種間接探測(cè)方法。根據(jù)目前的理論模型，暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后可能會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，如果我們能夠精確測(cè)量這些粒子的能譜，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的蛛絲馬跡。目前的空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)有諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主丁肇中主持的裝載在國(guó)際空間站的阿爾法磁譜儀、美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星、我國(guó)的“悟空”暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星等。
地下探測(cè)是一種直接探測(cè)方法。該方法直接探測(cè)來(lái)自宇宙空間的暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號(hào)。由于發(fā)生這種碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號(hào)也極其微弱，為了降低來(lái)自太空的宇宙線本底“噪聲”，通常需要把探測(cè)器放置在很深的地下。目前采用深部地下探測(cè)實(shí)驗(yàn)的有美國(guó)的CDMS和Xenon100實(shí)驗(yàn)，我國(guó)的CDEX和PandaX實(shí)驗(yàn)等數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)。
加速器實(shí)驗(yàn)是一種主動(dòng)“制造”暗物質(zhì)的方法。在高能加速器上讓粒子互相碰撞，打出新粒子，將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來(lái)，并研究其物理特性。但要在加速器上進(jìn)行暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，需要很高的能量，目前最高能量的對(duì)撞機(jī)是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。