暗物质之谜

什么是暗物质

在当今的天文学界和物理学界有两个共同的重大谜团，有些文章中把它们并称为黑暗双侠，这就是暗物质和暗能量之谜，我将用三节的篇幅先为你讲解暗物质之谜。

我们先从暗物质是怎么被发现的开始讲起。1932年，有一位叫奥尔特的天文学家观察到了一个非常奇怪的现象，那就是银河系的转动速度似乎太快了一点，他觉得银河系中的恒星似乎太少了，但遗憾的是，限于技术条件，他的观测数据比较粗糙，什么也证明不了。现在回过头来看，奥尔特确实厉害，直觉超一流，他从非常有限的观测数据中就窥到了惊人的秘密。

到了第二年，也就是1933年，在美国的加州理工学院，另外一个特别有个性的天文学家兹维基，也发现了一些与奥尔特类似的奇怪现象。不过兹维基当时研究的并不是银河系，而是后发座星系团。后发座是天上的一个星座，离北斗的勺柄不远。在后发座的这片天区中，有个巨大的星系团，星系团的中心有两个巨大的星系，都有银河系10倍大小，周围还分布着1000个大小不等的星系，它们共同组成了这个巨大的星系团，距离我们3.2亿光年左右。

兹维基研究了这个星系团里的星系运行情况，发现与牛顿力学计算出来的速度是不相符的，而我们知道星系的旋转速度与星系中所有物质产生的引力相关。这说明，似乎这个星系团不应该产生那么大的引力。兹维基就认为，必定存在很多不发光的物质，而且数量庞大。于是，兹维基就把这些物质命名为暗物质。有趣的是，宇宙中最暗和最亮的物质都是这个兹维基命名的，最亮的那个是超新星。可惜的是，兹维基并没有把这件事当作太重要的发现，在当时也没有引起太多重视。

在兹维基之后，还有一些天文学家也发现了类似的奇怪现象。例如，1936年，史密斯对仙女座大星系的研究似乎印证了兹维基的观点。1959年凯恩和沃特研究了仙女座大星云和银河之间的相对运动，他们发现我们人类所处的本星系团中看不见的物质比可见物质的质量要大10倍左右。

但是，直到这时候，科学界对暗物质依然没有给予足够的重视，其中一个最主要的原因还是在于证据不够充分。从这里你也可以看出，科学研究是多么讲究证据。原因其实也不难理解，每一位科学家的时间和精力以及经费都是有限的，而这个世界上可供研究的课题又那么多，选择研究课题是一件非常谨慎的事情。

非同寻常的证据来自女天文学家薇拉·鲁宾的研究，其实鲁宾也并不是专门去研究暗物质才发现的证据，而是无心插柳的结果。事情是这样的，20世纪六七十年代，鲁宾选择了一个在当时非常冷门的方向，那就是研究银河系的旋转。从奥尔特开始，大家用的办法其实大同小异，但是测量精确度却在突飞猛进，数据的积累也越来越多。

积累的数据越多，越让鲁宾感到心惊，银河系外围的旋转速度那不是快了一点点，而是大大超出了预期。为什么这么说呢？因为根据牛顿的万有引力定律，离银心越远的恒星，应该旋转得越慢。但是实际观测的数据根本就不是这样。离星系中心很远的那些恒星，运行速度并没有明显地减慢，比预期的速度要快得多。按照这个速度去计算的话，整个星系产生的引力都拉不住这些恒星，星系根本就无法维持，早就该散架了。可是这些星系已经稳定存在了上百亿年，这是一件非常奇怪的事情。

我给你打个比方。假如我们用沙子捏成一个陀螺，让它转起来，这个沙陀螺就会散架。要想不散架，就必须用胶水和在沙子中，增强沙子之间的结合力。我们的银河系就好像这个沙陀螺，而万有引力就好像沙子中间的胶水。现在的情况是，银河系中如果只有会发光的可见物质提供引力的话，那么银河系早就该散架了。

鲁宾这次的发现与之前最大的不同在于，她提供的数据非常详细，证据无可辩驳。所以，到了1980年左右，大家都觉得这是一个大问题。看来星系之中含有大量我们看不到的物质，这些物质也会产生引力，确保了星系能以更快的速度旋转而不分崩离析。而且这种物质似乎与星系的形成有密切关系。

接下去，科学家们就开始追问，为什么我们看不到这些物质呢？一开始，大家觉得这不难理解，不过是一些不发光的气体云罢了，因为它们太暗了，所以我们看不到它们。就好像地球表面的空气是无处不在的，但是我们也没办法用肉眼看到空气。这是一个非常合理的想法。

还有一些人认为是因为在宇宙中的黑矮星数量非常多，黑矮星就是燃料耗尽而慢慢冷却的恒星。当然，真正让科学家们松一口气的是黑洞理论的兴起，如果黑洞是存在的，那么就顺便解释了暗物质现象。因为黑洞就是个只进不出的家伙，我们无法直接观测黑洞。

可是，随着观测数据的积累，人们惊讶地发现，即便把上面这些不发光的物质总量全部都按照最大的可能性加起来，星系的总体质量也远远达不到预期的质量。

说到这里，你可能会好奇，科学家们是怎么估算星系的总体质量的呢？这个办法很巧妙，就是利用引力透镜效应。什么是引力透镜效应呢？根据爱因斯坦的相对论，大质量天体附近的时空弯曲非常厉害，就连光走的都不是直线。假如有个遥远的天体，它发出的光在奔向我们地球的途中遇上了大质量的星系团，光线也是会发生弯折的，这个遥远天体的图像也就会被扭曲，就好像隔着透镜看一样。通过引力透镜效应，就可以计算出半途中碰上的这个星系团总共有多少物质。

那么如何计算这个星系团里能够看到的普通物质是多少呢？这也不难，只要看看这个星系团的整体亮度就行了。不管是自己发光的，还是被别人照亮的，照片上都能看得到。

科学家们把用引力透镜效应计算出来的星系总质量称为引力质量，而把通过星系亮度估算出来的质量称为光度学质量。现在的结果是，在宇宙中已知的绝大多数星系，它们的引力质量都远远大于光度学质量，平均而言，有6倍的差距。这也就证明了星系团大部分物质是看不到的，但是却有引力存在。所有能看见的物质只是很少一部分。

既然暗物质如此之多，为什么我们看不到它们呢？这当然就是一个宇宙未解之谜了。科学家们猜测，很可能是因为它们不参与电磁相互作用。

在日常生活中，我们绝大部分的感受其实都来自于电磁力。例如，光本身就是一种电磁波，当然要依靠电磁作用。我们能看到的各种颜色，能感觉到温度的高低，能感觉到物体的软硬，背后都是电磁力在起作用。

为什么石墨那么软？为什么金刚石那么硬？为什么糖是甜的、盐是咸的？其实都与化学成分以及原子的排布结构有关系。原子、分子的结构都是依靠电磁力作为骨架来搭建的。

假如暗物质对电磁力毫无反应，碰到普通的分子、原子，自然是无动于衷。我们当然也就感受不到这些物质的存在。但是它们同样会产生万有引力，它们庞大的数量在星系尺度上显示出了巨大的力量。

因为我们现有的知识体系并不能很好地解释这种现象，所以才会觉得它们非常的神秘。不过，也正因为有这样的认知空白，科学家们才有了无穷无尽的研究课题，而科学活动的目的就是要发现自然界中那些尚不为人所知的规律。

如今，暗物质已经被大多数物理学家所承认，但是仍然有一部分科学家认为，他们有更好的办法来解释星系旋转过快的现象，不需要去假设一个看不见摸不着的暗物质，就好像100多年前的以太一样，因为按照奥卡姆剃刀原理，“如无必要，勿增实体”，理论中的假设越少越好。这一派科学家虽然很少，但科学理论的真伪从来不以人数来决定，唯一能决定理论好坏的只有实验和观测证据。

所以主流物理学家们也面临着巨大的挑战，暗物质如果真的是一种物质，这些物质到底有什么样的性质呢？我们该如何去探测暗物质呢？我们下一节再来讲两种理论的PK。

围绕暗物质的争论

今天我们来讲讲暗物质的性质，为此，我们需要一些预备知识。

以前曾经碰到过一脸稚气的小朋友问我：暗物质是不是反物质啊？大概现在的科幻作品里面很喜欢提到反物质引擎，于是反物质这个词出现的概率也很高。孩子的好奇心总是很强烈的，于是这个词他就记住了。一般人也很容易把反物质和暗物质搞混淆。

我这里明确回答一下，暗物质和反物质不是一回事。反物质是反粒子构成的。对于反粒子，物理学家们并不陌生。最早被发现的反粒子就是正电子。正常的电子带负电，但是反电子带的是正电，除此之外这两种粒子看不出什么区别。

大多数人都以为反物质只能出现在实验室中，不会出现在我们的日常生活中，其实并不是这样，我们每一个人都接触过反物质，甚至可以说，反物质无处不在。一个最常被引用的例子就是香蕉，不知道为什么，物理学家们非常喜欢用香蕉来举例子。香蕉里面含有钾元素，极少量的钾原子带有放射性，100克香蕉平均每秒钟会有15个钾原子发生衰变，发射出普通的带负电的电子。但是，这里大概有千分之一的概率会出现正电子。假如你手上握着一根香蕉，大约两小时之内就会有一个正电子打进你的手里。这个正电子要是碰到了普通的电子，就会发生正反粒子湮灭，变成了纯能量。当然，这种极其微小的能量，你是一点感觉也没有的。

那么有的人仍然有疑问，为什么有些元素会有放射性呢？为什么会发生衰变呢？原因就在于一种叫弱相互作用的物理现象，正是弱相互作用导致了某些原子核是不稳定的。与弱相互作用相对应的还有一个强相互作用。一般来讲，强相互作用会把原子核捆在一起，形成各种各样的元素。而弱相互作用则会导致原子核不稳定，发生衰变。

除了强、弱相互作用，还有电磁相互作用让原子能结合成分子，分子能结合成物质；另外还有一种相互作用就是我们最熟悉的万有引力，它保证了我们能稳稳当当地站在地球上，保证了地球绕着太阳转。

这四种基本的相互作用，或者说这四种基本的力，协同配合，就构成了我们看得见摸得着的物质世界。

好了，预备知识讲完了。你可能想问，这和我们的主题暗物质有什么关系呢？答案是大有关系。回答暗物质到底是个什么东西这样一个高深的问题，让天文学家来回答不合适，这事儿还得交给粒子物理学家去寻找答案。粒子物理学家们可以双管齐下，一方面用大型计算机进行模拟计算，另一方面也可以调用大型设备去做非常精密的实验。

现在粒子物理学家们提出了很多描述暗物质的理论，最有希望的一种版本叫作WIMPs模型，全称就是弱相互作用重粒子，后面为了讲解方便，我就把它简称为“暗粒子模型”。说白了，科学家们也在猜测，暗物质显然没有电磁相互作用，所以我们看不到它们，强相互作用恐怕也是没有的。但是，这种物质有引力，这是板上钉钉的事情。那么有没有弱相互作用呢？这成了了解暗物质的一个关键问题。很多物理学家猜测，暗物质应该也有弱相互作用。暗粒子模型描述的暗物质粒子运行速度不快，但是质量很大，粒子的运动速度决定了物质的温度，因此这种猜测下的暗物质也被叫作冷暗物质。

根据暗粒子模型计算出来的暗物质数量和天文观测计算出来的数量比较相符，数据匹配特别好，而且也和宇宙大爆炸理论相符合。所以，物理学家们把它称为“WIMPs奇迹”。大家喜欢这个理论的另外一个理由是，这个理论是可以用大型粒子加速器或者其他的办法去探测的，能够用实验去检测是一个可靠理论必备的特征。

欧洲核子研究中心有着世界上最大的对撞机LHC，在粒子对撞的过程中就有可能会生成暗粒子。但是目前LHC并没有探测到什么特别的迹象。看来想依靠对撞机，在实验室里面造出暗物质粒子是很难的，即便偶尔造出来了，恐怕也很难捕捉。这条路暂时是走不通的，还需要去想别的办法。

虽然暗粒子模型这种理论看上去很不错，但是它也有解决不掉的烦恼。把这个模型输入计算机，用大型超级计算机去模拟一种矮椭球星系的形成过程，发现计算出来的数值偏大。冷暗物质会导致星系变成一锅粥，显得非常稠密。可是天文观测到的矮星系并没有那么稠密。这么来看，似乎冷暗物质又是不对的。不过，在科学研究中，如果一个理论在解释大多数现象时都表现得很好，但是却遇到了一个反例，这时候科学家们通常不愿意推翻整个理论，而是想着能不能打一个补丁来解决。

于是，科学家们设想用另外一种理论来解释矮椭球星系的问题。在现在人们已知的粒子之中，有一种中微子，这种粒子非常轻，而且也不容易和别的物质发生相互作用，所以这种粒子可以轻松地穿透整个地球，如入无人之境。过去大家以为中微子是没有质量的粒子，后来发现，它的质量不为零，但是非常微小。中微子的质量起码比电子轻了上百万倍，现在只能估计出一个大致的数量级。中微子也有不同的种类，而且会变来变去，来回变身，因此中微子也是一个神秘莫测的家伙。

现在有些物理学家假设，暗物质粒子会不会是一种运动速度非常快的中微子呢？这也被称为“热暗物质”。他们把这个热暗物质模型拿到计算机里面去算，模拟矮椭球星系的形成过程，看看计算结果和实测数据是否匹配。结果发现这种热暗物质会导致星系变成一盘散沙，根本无法凝聚。看来，热暗物质的假说也遇到了很大的困难。

那么不冷不热的温暗物质行不行呢？经过大型计算机的模拟计算，不冷不热的温暗物质倒是可以形成矮椭球星系。但问题是，补了西墙，却拆了东墙，又有另外一些数据完全对不上了。

所以，到现在为止，暗物质的身份仍然是一个迷，我们依然缺乏一个很有效的理论模型去解释暗物质。暗物质似乎给粒子物理学家们设下了重重陷阱，你要想揭开暗物质神秘的面纱就不得不面对一个又一个的坑。这个坑你巧妙地化解了，说不定就掉进下一个坑里。你的理论对这个现象可以完美地解释，对那个现象则毫无办法。

有一小撮比较另类的科学家则在旁边窃笑不已，他们严守奥卡姆剃刀原理：“如无必要，勿增实体。”为什么一定要假想一种说不清道不明的暗物质呢？为什么只有添加了这种东西才能解释星系边缘恒星速度不正常的现象呢？难道你们就没想过对现有的引力理论下手吗？

这样的想法足够另类。到现在为止，以牛顿、爱因斯坦为首，科学家们历经数百年建立起来的理论大厦经受住了无数严苛实验的检验，但依然有一些科学家们怀着质疑精神。但是我必须告诉大家，科学的质疑与盲目质疑的区别在于，你不能只破坏不建设，为了质疑而质疑没有意义，你必须要提出一个更好的替代品。这些科学家就试图修正牛顿第二运动定律。

这一派科学家虽然人数很少，但是他们在物理学界依然很活跃。科学与宗教的区别在于，科学没有像圣经一样不可侵犯的教义，科学只讲逻辑和实证。不论是多数派还是少数派，任何科学理论必须经受全世界同行的评议。多数派科学家就认为那些修正牛顿动力学的努力有点像事后诸葛亮，他们纯粹是为了凑出一根曲线，强行给牛顿理论打了个补丁进去。

现在的情况是，主流科学界遵循久经考验的牛顿与爱因斯坦理论体系，但是不得不引入一个目前还看不见摸不着的新物质。而作为少数派的理论不需要引入暗物质，保持了系统的简洁性，但又对久经考验的牛顿定律下手。总之，科学家们处于两难的境地。

不过，到了2018年3月29日，著名的《自然》杂志刊登了一篇论文，展示了一个非同寻常的证据。我想，这个证据一出，恐怕少数不相信暗物质存在的人也打算投降了。那这个证据到底是什么呢？咱们下节揭晓答案。

探测暗物质

上一节讲到了暗物质理论和修正牛顿动力学之间的争论。一般来讲，要提出一个新的理论来取代旧理论，需要满足几个要求：

 

1．新理论必须能够复制旧理论所有的成功之处。

2．新理论必须能够解释新的现象，否则也没有提出新理论的必要了。

3．最重要的是新理论必须有预言能力，并且能够在实验和观测上被验证。

 

修正牛顿动力学理论虽然支持的人很少，但是这个理论仍然是在科学方法论的框架之内提出来的，也可以用科学方法去验证。修正牛顿动力学可以很好解释星系里恒星的运动速度异常这方面，但是其他方面都不尽人意。不过，几十年来，这个理论并没有完全退出历史舞台。

哪知道，2018年3月的一个消息，估计要让支持修正牛顿动力学的人哭晕在厕所里了。来龙去脉是这样的：天文学家研究了一个不起眼的星系，编号为NGC1052-DF2，后面我们简称1052星系。测算下来，这个星系的引力质量和光度学质量相差无几。这意味着什么呢？这意味着，如果按照暗物质理论来解释的话，一句话就可以了，这说明该星系基本不含暗物质。

但是修正牛顿动力学理论就遇到了大麻烦，因为这个理论否定了暗物质的概念，而修改了最基础的牛顿动力学理论，目的是为了解释为什么按照之前的观测结果，所有的星系的动力学质量都要远远大于光度学质量。如果这个理论是对的，那么就不能出现例外。但是，现在偏偏1052星系就是首个被天文观测到的例外。可以说，这个理论遭到了致命的打击。

相反，1052这样的星系用暗物质理论非常好解释，这个星系的引力质量和光度学质量相差无几。那就等于说这个星系暗物质基本不存在，所以外围恒星旋转的速度符合现有的物理学法则。这等于是用“不存在证明了自己的存在”。

在历史上，为了解释观测到的自然现象，几乎都会同时出现很多竞争的理论，例如托勒密、第古、哥白尼的天体运行模型。即便到了今天，在科学界依然存在与广义相对论竞争的理论。不过，科学与哲学、艺术、文学等其他学科有一个最大的区别：其他这些学科，往往讲究的是求同存异，百花齐放，没有绝对的正确与错误，但是，科学理论的赢家只能有一个。几乎每一个教科书上的公式都是经过了激烈竞争后的胜出者。

目前看来，暗物质理论更加可靠，能解释的现象也更多。但是，问题仍然困扰着大家——暗物质究竟是什么？理论物理学家们仍然在不断提出模型，修改模型，然后动用计算机去计算。而另一些实验物理学家则把注意力放到了其他地方。

实验物理学家在思考如何能探测到暗物质粒子。大家或许有疑问，现在连暗物质粒子是什么，有哪些性质都不知道，该如何去找呢？似乎一点可靠的线索都没有。

当然，即便是猜想也要有个逻辑的起点。目前科学家们是以WIMPs理论为基础的。上节我们讲过，这个理论把暗物质粒子描述成一种具有引力，有弱相互作用的非常重的粒子。科学家们猜测，WIMPs粒子，自己就是自己的反粒子。假如两个这样的粒子发生碰撞，就会发生湮灭现象，这也就为我们探测暗物质粒子提供了可能性。

现在探测宇宙里面各种粒子的太空探测器有那么几个：一个是装在国际空间站的Alpha磁谱仪；一个是帕梅拉探测器；还有费米卫星和我国发射的悟空号探测器。几个探测器的数据都可以相互对照印证。

名气最大的是装在国际空间站上的Alpha磁谱仪，领衔担纲的科学家是著名的诺贝尔奖得主丁肇中。这个探测器是国际协作的产物，其中高强磁铁是我国提供的。中国的高强磁铁是全世界最好的，F-35战斗机上也在用。

丁肇中在世界科学界的威望极高。本来NASA的航天飞机需要全部退役，但是丁肇中说服NASA在2011年再执行了一次航天飞机任务，把Alpha磁谱仪送进了国际空间站。这个探测器无法作为一个独立的卫星运行，因为太阳能电池板供电不够用，只有国际空间站太阳能电池板面积够大，能提供足够的电力。只有航天飞机有能力把这么重的探测器扛到国际空间站上。没办法，退休前航天飞机只好再加班多飞一趟。

根据理论猜想，暗物质粒子在太空里相互湮灭会释放出反电子和反质子。虽然我们看不到暗物质粒子，但是我们能够看到它们留下的脚印。Alpha磁谱仪主要关注的是反电子，经过一年多的观测，它收集了680多万个电子和反电子，其中反电子有40万个，这些粒子的能量都非常大。

经过和帕梅拉卫星以及费米卫星数据的比对，大家认为，在10GeV能量段以上的反电子多得不正常，可能是暗物质粒子互相湮灭留下的脚印。统计曲线上明显出现了一个大鼓包，这就是实测数值与理论预期的偏差。

就在2017年年底，我国的悟空号探测卫星的数据也发布了。悟空号的能量探测范围比费米卫星和Alpha磁谱仪都要宽得多。在更高的1.4TeV能量段上，发现了特殊的峰值。这是非常令人惊奇的事情。

这么描述大家可能还是不太懂。没关系，我们还用打比方的方式来讲。比如说小镇里家家户户都是独生子女家庭，周末举办亲子活动，爸爸妈妈带着孩子都在海边沙滩上搞聚会。我们根据人口结构可以预计，成年人的脚印是孩子的两倍。成年人的脚都差不多大小，孩子的脚印有大有小，应该是平均分布的。这就是我们根据已知的情况推断出来的一个预期。

可是我们真的到现场去数一下脚印，发现完全超出了我们的预期。现场出现了一大串巨大的脚印。这种脚印不像是小镇上任何人的。那么只能判断，一定是有一大群大个子来过现场，脚印就是他们留下的。可是，聚会的现场并没有人看到过有奇怪的人出现。那么我们只能判断，他们是隐身人，也就是说，现场存在一些看不到的大个子隐身人，他们留下了自己的脚印。这种大个子的隐身人就好比是暗物质粒子。

按照科学家们一贯的严谨态度，他们表示，多出来的这些高能反电子疑似是来自于暗物质。不过，这种探测方式依然只能算是间接证据。

那么能不能直接抓到这些暗物质粒子呢？毕竟暗物质应该就在我们的身边。办法也是有的。在意大利大萨索山的一个地下隧道里面，有一群科学家正守在探测器的旁边等着暗物质粒子撞上门来，这有点像守株待兔。我国在四川锦屏山的地下隧道里，也有两个大型探测装置在蹲坑守候。

上海交大主导的PandaX计划动用了一大罐液态氙。科学家们预测，假如真的有暗物质粒子撞上来，撞到了氙元素的原子核上，就会发出一个闪光，超高灵敏的光电探测器就能探测到这个闪光。清华大学主导的暗物质探测器则采用了超低温的锗晶体，原理也差不多，也是等着暗物质粒子撞到锗元素的原子核上。意大利大萨索山底下隧道里的暗物质探测器用的是碘化钠晶体。

那为什么探测暗物质粒子要跑到深深的隧道或者矿井中呢？这是为了屏蔽外界各种各样的粒子。因为能穿透上千米厚的岩石来到地下实验室的粒子，也就只有神秘莫测的暗物质粒子和“鬼鬼祟祟”的中微子了。所以中微子的实验，多半也是在地下深坑里做的。

前一段时间，意大利人放出一些消息，地下探测器也已经有些进展了。经过6年的数据积累，他们发现探测到的信号与季节有关系。季节变化来自于地球绕着太阳运动。难道太阳系里的暗物质分布是不均匀的？地球转到轨道这一头浓度大一些，转到轨道那一头浓度小一些？可是还是有不少科学家对他们提出了质疑。毕竟这样的关联未免有些牵强了，证据还严重不足。

总之，到现在为止，我们只知道暗物质真的是一种物质，它具有引力作用，可能具有弱相互作用。寻找暗物质就像一次全世界协作的大规模的犯罪现场勘查，每个团队各领取一块区域进行仔细地排查，等到把所有的区域都排查完了，罪犯的蛛丝马迹一定是能被找到的。只是，到现在为止，暗物质仍然是一个宇宙未解之迷。不过，我有信心能在有生之年看到谜底。

我找了一个与Alpha磁谱仪相关的视频，这个视频是2012年欧洲宇航局为了纪念它发射进入轨道一周年而制作的。你可以在我的微信公众号“科学有故事”中，回复关键词“AMS”，回复完就可以观看了。