【要闻】宇宙的幽灵：探索暗物质的前世今生

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出品:新浪科技“科学大家”，未来论坛

主讲人:郁海波美国加利福尼亚大学河滨分校物理天文学系副教授，未来论坛青创联盟成员

宇宙，世界的万世万物，按物理学的大分类分为很多小分类，有宇宙学、天文学、生物力学、集合状态物理、核物理、基本粒子物理。 暗物质的研究非常特殊，是介于粒子物理学和宇宙学之间的学问，是跨学科的研究。

恒星的大小大约是10的11次方米，成千亿颗恒星构成了银河。 这个星系大约有10的21次方米。 成千上万的星系构成星系团，可以构成星系团尺度10的23平方米。 星系团是人类观测到的最大的自引力作用下的结构。 所有星系团和时间空加起来就是我们观测到的宇宙。

暗物质存在的最早证据来自瑞士和美国物理学家弗里茨·威奇克，他在20世纪30年代做了很重要的工作，他发生了什么事件？ 他选择星系团进行观测。 他发现星系团中银河的速度，运动非常快，从高中物理学得知。 如果一个系统稳定，其动能应该接近势能，势能由所有质量决定。 如果考虑到所有的可视物质，你会发现它远远大于势能。 这些星系太快了可以从星系团起飞。 但事实上，观测到所有星系都在星系团中运动，他做出了非常大胆的假设:在星系团中，我们看不见的物质可能提供了额外的重力连接着银河，他称之为暗物质。

这是一个非常有趣的假设，但很久没有受到重视。 我认为有非常多的理由。 因为他是个天才人物。 他有这样的预言。 而且，一代人未必能赶上他的想法。 还有一个有趣的理由。 我觉得他是个很刻薄的人。 他经常给同事们起外号。 例如，许多同事称他为笨蛋，称他为球状笨蛋。 混蛋已经刻薄了，为什么叫球状混蛋？ 因为无论从哪个角度来看，他的同事都是笨蛋。 球从最大的对称性来看，无论从哪个角度来看，这个球都是球形的。

这个问题在70年代非常受重视，这里的重要工作是由美国女天文学家白俄罗斯完成的。 她选择让银河旋转一点小心谨慎。 银河系是旋转的银河，好像只有2000亿颗恒星。 因为以银河的中心为中心旋转，所以天文观测可以观测到任意数量的旋转速度，观测结果用黄线表示。

这很奇怪。 因为牛顿的万有引力，星系的旋转速度由质量和距离决定。 旋转星系基本上所有的质量都集中在银河的中央，所以越往外恒星的旋转速度越来越低，用绿色线表示。 事实上并非如此。 实际上观测到的是接近常数。 也就是说，银河中看不到很多物质。 这些周围的恒星有足够的引力。

从上图的左下角可以看到一个例子。 这个妈妈在玩甩孩子和人的游戏。 孩子甩得快，转速快，妈妈需要更大的力量把他拉在一起。 不那样的话，孩子会向外面甩的。 这是理解天文学观测现象的非常形象的例子。

另一大突破是上世纪末期和本世纪初宇宙学观测宇宙微波背景辐射的观测。 我们现在知道宇宙的年龄在137亿年左右。 上面的照片显示了宇宙还在婴儿期的温度分布。 那时宇宙有38万年的年龄，听起来很长，但与总年龄相比是婴儿期。 这张图显示了温度的分布，整体温度的分布比较均匀，实际上有不均匀的地方，稍微黄色的地方，温度比就高，有些地方温度低，蓝色。 在数学上，涨落大致在10的负5次方左右，是非常小的涨落。 我很奇怪为什么宇宙那时的温度分布不均匀。

宇宙温度的变动有暗物质存在

之后，物理学家为了说明这样的温度变动，一个必须的假设反映了这个宇宙中存在暗物质，温度的变动反映了宇宙暗物质的分布当时不均匀，暗物质的密度变动是10的负5次方左右，这是观测到的

这是一个极其重要的实验，通过这个实验，可以正确地知道暗物质在宇宙中的成分，右边的图显示了宇宙中不同的重要成分。 暗物质大约占27%的质量能量总和，包括所有可见物质、所有恒星气体，我们看到的世界只占5%的成分。 其次，只有68%的部分称为暗能量。 从这个观测可以看出宇宙95%的东西我们看不见，没有任何关于那些细节的消息。 我们只能直接观测5%的可视物质，所以对整个宇宙非常无知。

从宇宙的尺度来看，我们是回归银河系的尺度，左图显示了银河系中分布着2千亿颗恒星的情况。 那都是在圆盘一样的构造中运动。 右边的照片显示，如果添加了暗物质结构，这个图像应该是这样的。 也就是说，000亿颗恒星几乎集中在中间，这些恒星生活在暗物质的光晕这种结构中。 因为这个结构比所有恒星的总和重30倍，银河系中质量最大的物质其实是暗物质，不是恒星，不是气体，不是我们看到的山和世界。

暗物质的密度很低，比如我们住的银河系周围。 我知道暗物质的质量不知道。 假设暗物质粒子的质量是质子的100倍，则推测茶杯中有暗物质粒子。 其密度极低，接近真空。 但是暗物质的速度很大，在太阳系周围以每秒200公里的速度旋转。

这幅图展示了整个宇宙的进化历史。 宇宙从非常激烈的大爆炸开始后，宇宙急剧膨胀，宇宙逐渐冷却，中间形成了不同的结构，如银河、地球、月球等，合计宇宙年龄为137亿年。 我们不太能想象。 很多人很难想象科学家能这么准确地进行这个测量。

在宇宙的进化中暗物质起着重要的作用

现代科学告诉我们暗物质在漫长的宇宙进化历史中起着重要的作用。 你会说暗物质看起来很重要，和我们的生活有什么关系？ 其实有很感兴趣的相关。 这里，比如人类的生存依赖于钙、锰、锌、钠等矿物质和微量元素。 但是，这样的元素不能与宇宙初期进化时合成。 很晚的时候，可以先从特殊的天文事例合成这些元素。 这个事例被称为超新星爆炸。

爆炸是什么？ 像太阳这样的恒星在末期由于原子核反应和引力的相互作用而爆炸，爆炸时合成这些元素。 即使可以合成这些元素，这些元素产生时也会产生很大的速度。 这些速度足以分离超新星，变成星际尘埃。 如果没有暗物质。 如果存在暗物质，暗物质提供足够的引力，吸引这些粒子。 所以这些矿物粒子在银河系中被回收，在地球上被浓缩，这为我们人类提供营养。 所以如果有玩笑的话，人类来自宇宙之星，但暗物质可以保护你的健康。

我们谈论宇宙的大规模结构，谈论从宇宙的大规模结构中得到暗物质存在的结论，现在谈论小规模的尖端问题。 左边的图显示了原子的结构。 原子由电子和原子核构成，但原子核不是基本粒子。 原子核由质子和中子构成，质子和中子也不是基本粒子。 因为它是由夸克组成的。

右图显示了人类现在知道的所有基本粒子都能排列的非常美丽的结构。 从纵向看，第一个纵向立夸克，下夸克，电子，中微子。 这些粒子被称为物质粒子。 这些是构成我们知道的物质的基本粒子。 看物质粒子，上面的两个粒子被称为上夸克和下夸克，下面是电子，然后是电子中微子，这样的物质粒子三代构成了我们认识的基本粒子世界。 红色粒子被称为媒介粒子，传播相互作用。 最后一个黄色的所谓上帝粒子，是最近发现的。 这两位物理学家为此获得了诺奖。 但这个粒子是20世纪60年代他们预言的，所以花了40，50年左右才找到的。 从这个例子可以看出科学是非常困难的事件。

进而发现基本和相互作用在宇宙中有四个基本的相互作用、重力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。 我们熟悉这前两种相互作用，但我们不一定熟悉弱相互作用。 其实弱相互作用负责粒子衰变。 强烈的相互作用是把夸克团聚在一起形成原子核。

从现代物理上来看，相互作用粒子会传播，所以把这些传播粒子放在右边的图中。 例如，在高中，我学习了电子之间有库仑相互作用，为什么有库仑相互作用。 因为在现代物理学的立场上，他们可以交换光子，电磁相互作用通过光子传播。

关于所有粒子的性质、相互作用，其实可以写非常简单的公式。 茶杯上只有短四行。 很短，你大致可以把它写在一行上。 这个世界的基本法则看起来很简单。

如果完全展开短行，你会发现这很长。 我写信。 抄这些公式大概需要半个小时。 这个很长，我觉得又多又不复杂，为什么？ 这样的公式描述了在宇宙中发现的基本粒子的相互作用，所以我们似乎知道宇宙中最深的奥秘。 在这个理论的迅速发展过程中，华人物理学家做出了杰出的贡献，所以我在这里举几个人，50年代时，李政道和杨振宁预言，微弱的相互作用只作用于左手粒子，一年后华人物理学家吴健雄带领实验小组 所以，李杨在50年代获得了诺奖。

图的右下角是杨振宁和他的合作者米尔斯的照片。 他们主张在50年代，相互作用由对称性支配，听起来多而杂，抽象，不知道什么意思，但这样简单的语言，其意义及其严重性意味着所有的基本相互作用都是用简单的方法写的，杨先生的

我们一边谈论大尺度的宇宙进化，一边谈论小尺度粒子的构成和特征，我们把这两个东西排列起来，看看情况怎么样。 要成为暗物质，粒子必须满足三个最基本的条件。 一是粒子暗，没有电磁相互作用。 否则，你可以找到它。 那个需要比较稳定。 因为宇宙的年龄很长，所以比较稳定。 粒子比较冷，必须形成结构，跑得太快就不能形成结构。

这三个最基本的特征是我们知道的粒子没有一个符合这三个条件。 历史上最有可能成为暗物质的候选粒子是中微子，只有微弱的相互作用，才是稳定的。 但是质量太小，“温度”太高。 这是一个非常有趣的事件，宇宙学知道有必要存在暗物质，但基本的粒子标准模型中没有暗物质的候补粒子。 这种问题比较严重，在我看来这两种模式都是人类文明最高成果的模式，但它们不是自我接触，所以非常有意义，是重大的问题。 因为你有两个成功的理论，你把它放在一起，它们不是自我接触，对我们来说尤其是年轻学生来说，这是个好机会。

我该怎么处理这个问题？ 做理论家很简单，加入新粒子，假设粒子是暗物质粒子，看看它和我们知道的粒子有什么相互作用。 一定有重力的作用。 牛顿的万有引力告诉我们，有质量就有引力，不能有电子相互作用。 暗物质比较暗，所以看不见它。 不要有强烈的相互作用。 可能还有微弱的相互作用。 这个想法最初是因为在70年代，实验的限制还不强，有很弱的相互作用。

这个理论被称为弱相互作用质量粒子理论，有质量的粒子、带的弱相互作用，这就是弱相互作用粒子。 这个理论统治了物理学界近30到40年。 为什么大家对这个理论特别感兴趣，因为它有很弱的相互作用，大致上可以在实验室找到这个粒子。

检测暗物质的三种方法

现在所有关于暗物质的证据都来自天文，所以如果能在实验室里找到这样的粒子就有意义了。 正因为有微弱的相互作用，我们才能通过不同的途径寻找它。

总体上有三种不同的方法。 一个称为直接检测，称为所谓的摇晃。 也就是说，暗物质粒子与可视物质粒子碰撞产生信号。 另一个被称为非直接检测，两个暗物质粒子碰撞，消失产生可视物质粒子。 你可以使两个可见物质粒子碰撞产生暗物质粒子。 这是为了做那个。 这是使用对撞机寻找暗物质的一种方法。

其次，简单地探讨这样的过程，研究世界为这些勘探建设了什么样的实验室。 首先，让我们看看直接勘探。 直接探测的想法是，把探测器放在地下，等待暗物质粒子撞击原子核，一旦撞击原子核，原子核就会踢球。 因此，暗物质粒子向原子核粒子传递能量。 如果能记录踢球的信号，就检测暗物质粒子。 为什么要把探测器放在地下，因为这样的实验非常难。 例数少的话宇宙线会引起很多干扰，放在地底的话，宇宙线的干扰就可以用岩石阻断。

这似乎是众所周知的。 因为我们小时候在读保护兔子的故事。 因为古代有个农夫，他做了一根桩，他躺在桩旁边睡觉，等着兔子撞到桩回家。 暗物质的实验就像保护兔子的故事，科学家建造探测器放在地下，等待暗物质兔子撞击探测器。 当然我们和农夫相比，科学家非常勤奋。

关于暗物质的勘探，世界上有极强的竞争。 可以说是暗物质直接探测全球霸权的比赛。 有北美的，有中国的，有日本的，有韩国的，有南极的。 我会说更多的话，特别是在中国。 这是四川省的实验室。 这里有两个实验。 一个是上海交通大学领导的熊猫实验，另一个是清华大学领导的中国暗物质实验。 接下来，简单说明这些实验的状况。

谈谈熊猫暗物质的实验吧。 这个实验在最近十年里发展很快。 这个实验由上海交大的季东教授和刘江来教授指导。 左下角是实验的示意图，暗物质粒子，也就是弱相互作用粒子跑过来，与原子核碰撞时，会产生两个信号，它会产生光信号和电子信号。 如果记录这两个信号，表示检测出了暗物质。 右图中，探测器的情况是氙气，是惰性气体，把液化的气体放入探测器中。

熊猫实验仅几年就成为世界上最灵敏的探测器之一，几次领先世界，在暗物质探测中，这是一个非常动人的故事。 小组里有学生谈论安迪。 他毕业时写了“五年青春成为名山底洞的人”的复印件。 他记录了五年的工作情况，很辛苦。 他在那里说了一句:“没有哭过太久的夜晚的人，不足以讲述人生。” 所以我建议同学在网上找他的这个复印件，我看了也很感动。

为什么这么难，因为必须做世界上最好的实验。 最好的结果是，要制造世界上最灵敏的检测器，要实现这样的目标是极其困难的。 例如，要精制气体，这个纯度很高，我很难把这个数字列在上面，达到百分之八十以下的0。

直接探测结束后，谈谈对撞机的实验吧。 世界上最大的基本粒子对撞机位于瑞士和法国的边界，位于日内瓦的郊外，被称为大型强子对撞机。 这幅图中描绘的圆是对撞机的轨道，碰撞机会在接近光速的程度上撞击自己。 根据爱因斯坦狭义的相对论可知，有质量就有质量，不能达到光速，但非常接近光速。

根据这个理论，暗物质粒子具有弱的相互作用，因此可以想象，当两个质子碰撞时，弱的相互作用可能会产生暗物质。 但是这里有问题。 因为在这个理论中暗物质只有弱的相互作用，所以我们能做它的时候，不会在探测器上留下任何痕迹。 中国古代有轻功的好人，被称为踏雪无痕。 即使出生的时候，逃离探测器，也不会留下任何痕迹，是非常难探测的事件。 我们必须找到方法。

这个方法也很简单，我们在高中学过物理学知识。 我们知道在一个过程中，在物理过程中，能量和运动量是保存的。 所以，在碰撞过程中，质子或夸克会发射一个光子。 所以，最后的信号是两个质子碰撞，产生两个暗物质粒子，一个光子可以测量。 两个早期的质子也可以测量。 我们可以测量。 通过能量动量守恒，可以知道暗物质粒子是否在这个过程中发生了。 十年前我自己做过这方面的工作，建议被实验物理学家广泛使用。

暗物质如何进行非直接检测？ 这个想法是两个暗物质粒子碰撞，生成光子、电子等可视物质。 我们的银河系生活在暗物质的晕圈里，所以所谓的暗物质到处都是，如果在消灭的过程中能产生可视物质，就能检测出暗物质。

科学家来到各地建设暗物质探测实验室。 比如美国科学家去南极做了冰立方探测器。 我该怎么办？ 在冰上挖了大约2.5公里的洞，把探测器放在洞里，探测什么？ 所谓中微子，中微子粒子在冰上运行时，与冰中的物质相互作用，间接产生光子，光子被探测器接受。

上图是国际空间站的实验，由中国物理学家诺奖获得者丁肇中领导，他把探测器放在国际空间站上，探测器可以检测电子和光子的信号，当暗物质消失产生电子和光子时，这个探测器

另外，在中国本土的实验中，南京紫金山天文台的常进教授领导的悟空暗物质粒子探测卫星，这里探测器放在卫星上，可以寻找高能的电子和光子，暗物质粒子消失产生这些粒子时，悟/ /

暗物质粒子的探索经过了30年到40年，至今在实验室里还没有检测出暗物质粒子的痕迹。 所有关于暗物质存在的证据都来自天文学和宇宙学的观测，所以我发现中国诗人白居易的长恨歌中有一句话可以很好地解释现在的状况。 这句话叫“上穷下黄泉，看不见两个广阔的地方”。 科学家在寻找暗物质时，下到了天地，找了很久，我们还没找到。

人类在面对宇宙未知的时候，不会放弃探索的努力。 特别是科学家，因为我们对宇宙真正了解的太少了，我们只知道5%的粒子是由可见物质构成的，而宇宙的95%是不知道的。 其中27%是暗物质。 所以我们不断努力前进。 我想在过去十年或今后十年、20年在四个比较重要的方面取得突破。 一个突破是理论的突破。 我们在过去30-40年寻找暗物质的设计都是基于弱相互作用粒子的理论。 现在应该开阔我们的视野。 在天文学中，我们应该迅速发展更高分辨率的天文观测，仔细研究恒星和气体的运动，了解越来越多的暗物质的性质。 从实验的角度来说，我们需要建立更大的探测器，更深的实验室。

这幅图的中间有现代世界上最重要的几个实验室的深度，有美国的几个实验室，有日本的，也有加拿大的。 那么，看最右边的地方，世界上最深的实验室在哪里？ 我希望在中国四川锦屏实验室，中国在探测暗物质前进的道路上做出更大的贡献。

注:本文是郁海波在未来论坛上演讲整理的，有修剪，照片由作者提供。

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