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鏡,，探測到了位于遙遠星系團中呈環(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)量的機制,。希格斯粒子是2012年被實驗發(fā)現(xiàn)的，提出希格斯機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鏡等等天文望遠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?？茖W(xué)家可以利用引力透鏡的效應(yīng),，判斷在遙遠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)域和兩團藍色區(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,，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大型強子對撞機，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,，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能量,，而這團能量,，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,，就是在進行這項工作。我國常進院士領(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