11月30日，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”公布了首批科學(xué)成果：目前國際上精度最高的電子宇宙線能譜?；谀茏V的一些異常，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)粒子可能存在的新跡象。

“悟空”的火眼金睛，試圖穿透現(xiàn)代物理學(xué)的兩朵烏云之一，讓真相現(xiàn)形。這兩朵烏云，就是暗物質(zhì)和暗能量。它們圍繞在萬有引力和廣義相對(duì)論的上空，已經(jīng)接近一個(gè)世紀(jì)。

牛頓和愛因斯坦的引力理論將天體的運(yùn)行規(guī)律歸納在簡潔的公式中，根據(jù)一系列參數(shù)的設(shè)定，科學(xué)家們就能模擬出整個(gè)宇宙。

然而，從20世紀(jì)20年代開始，隨著觀測視野的拓寬，萬有引力和廣義相對(duì)論的計(jì)算在星系到宇宙的尺度上開始“跑偏”。

比如，根據(jù)牛頓萬有引力的計(jì)算，太陽圍繞銀河系中心的運(yùn)行速度應(yīng)該在160公里每秒左右，然而，科學(xué)家們實(shí)際觀測到的運(yùn)行速度達(dá)到了240公里每秒。以這樣的速度，太陽應(yīng)該直接被“甩”出去才對(duì)。

愛因斯坦和牛頓，錯(cuò)了嗎？

除非……銀河系的實(shí)際質(zhì)量，要比目前人類所知的大上10倍！銀河系“謊報(bào)體重”！

換句話說，銀河系的大部分，是由我們看不到的神秘物質(zhì)構(gòu)成的，它們提供了太陽與銀心之間額外的引力，吸住了高速運(yùn)行的太陽。這些暗物質(zhì)和暗能量，仿佛一團(tuán)暈，籠罩在整個(gè)銀河系。

同樣的“懸案”也衍生到了宇宙的整體布局上。若非還有神秘的不可見物質(zhì)發(fā)揮了引力作用，科學(xué)家們難以解釋星系們是如何從大爆炸后開始不均勻地分布、遠(yuǎn)離，形成如今的狀態(tài)。

此時(shí)引用柯南道爾的名言，或許恰到好處：排除了一切的不可能，剩下的不管多么難以置信，一定就是真相。

這些不可見的“暗物質(zhì)”，雖然和人類已知的粒子性質(zhì)完全不同，但若要捍衛(wèi)牛頓和愛因斯坦的引力理論，科學(xué)家們不得不接受這個(gè)全新的假設(shè)，上天入地，撒網(wǎng)尋找。隨著新的觀測結(jié)果不斷證實(shí)，暗物質(zhì)理論從一開始被斥為“旁門左道”，逐漸登堂入室，成為主流認(rèn)知。

“悟空”善捉妖，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，擁有世界最高探測精度的“火眼金睛”，正是在捉拿挑戰(zhàn)牛頓和愛因斯坦的“妖魔鬼怪”。

那么，“妖魔鬼怪”究竟長什么樣呢？

暗物質(zhì)是什么樣的？

根據(jù)估計(jì)，我們只能見到宇宙的5%，而不可見的暗物質(zhì)大約占27%，暗能量大約占68%。

暗物質(zhì)和暗能量的比重如此之大，可以說我們隨著地球，穿行在暗物質(zhì)和暗能量的海洋里。每秒鐘就有上億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過我們的身體。

然而，人類對(duì)它們，實(shí)在知之甚少。

目前，暗物質(zhì)只留下了很少的線索，留待科學(xué)家們偵探：

它們的壽命很長，宇宙演化初期就已存在；

在四種基本相互作用中，它們不參與強(qiáng)相互作用和電磁作用，否則，我們就會(huì)看到；

它們有質(zhì)量，參與引力作用；

它們可能參與弱相互作用。

以上就是人類對(duì)暗物質(zhì)的全部認(rèn)知，可以說少得可憐。根據(jù)這些模糊的線索，科學(xué)家們給暗物質(zhì)描繪過不同的“嫌疑犯畫像”：軸子、惰性中微子、引力微子等等。

而目前最主流的答案，是WIMPs（弱相互作用大質(zhì)量粒子）。這個(gè)模型假設(shè)，暗物質(zhì)粒子內(nèi)部具有弱相互作用，大質(zhì)量則是相對(duì)氫原子而言更重。

暗物質(zhì)怎么找？

要怎樣找到看不見的WIMPs？科學(xué)家們真可謂是上天入地。

可行的方案有三種：加速器產(chǎn)生、空間探測、地下探測。

若能量足夠高、流強(qiáng)足夠大，粒子通過加速器對(duì)撞，理論上可以產(chǎn)生暗物質(zhì)。如果WIMPs粒子具弱相互作用，且質(zhì)量小于35TeV，就可以在世界上最強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)——?dú)W洲核子中心的LHC上產(chǎn)生。

地下探測，則是為了減少宇宙射線的噪聲，等待每天經(jīng)過地球的不可見暗物質(zhì)，能有一些撞飛可見的原子，以此找到暗物質(zhì)。

上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等團(tuán)隊(duì)就在四川錦屏山下2400米深處建立了地下實(shí)驗(yàn)室，守株待兔，甄別高純鍺和液氙原子被“撞飛”觸發(fā)的光電信號(hào)，尋找暗物質(zhì)經(jīng)過的證據(jù)。

“悟空”采取的空間探測，是建立在這樣一個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上：就像電子、夸克等粒子具有對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)，WIMPs也應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的反WIMPs。WIMPs和反粒子相互碰撞、湮滅，或者自身發(fā)生衰變時(shí)就會(huì)放出能量，而這些能量多以伽馬射線和高能電子的可見形式釋放出來。

銀河系的中心，理論上是暗物質(zhì)最稠密的地方。“悟空”本質(zhì)上是一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，在500公里高的地球軌道上，守望遙遠(yuǎn)的銀心，捕捉并甄別從那里放射的粒子。

“悟空”每天傳送回500萬個(gè)粒子信息，其中，有用的電子不到千分之一，而目標(biāo)光子只有十萬到百萬分之一。最復(fù)雜的時(shí)候，需要匯集7萬多路電子學(xué)信號(hào)通道，才能還原一個(gè)粒子的信息，就如7萬個(gè)盲人摸象。

暗物質(zhì)已經(jīng)成為科學(xué)界最熱門的“通緝犯”。所有上天入地的團(tuán)隊(duì)，包括國際空間站上，由諾獎(jiǎng)得主丁肇中領(lǐng)導(dǎo)20余年的阿法磁譜儀，雖然都在不斷找到新的跡象，但始終沒有得到最終的證據(jù)。

所幸的是，與阿法磁譜儀等國際競爭者比起來，“悟空”具有3個(gè)世界之最的硬件優(yōu)勢：最高的能量分辨本領(lǐng)、最寬的觀測能段、最強(qiáng)的高能粒子鑒別本領(lǐng)。“悟空”何時(shí)能捉妖成功，尚不得而知。但它的火眼金睛，每天都在一點(diǎn)點(diǎn)拓展人類認(rèn)知宇宙的邊界。

宇宙觀的刷新

回到文章最初提到的比喻：暗物質(zhì)和暗能量被許多人稱為現(xiàn)代物理學(xué)的兩朵烏云。這顯然是對(duì)開爾文勛爵著名烏云比喻的致敬。

19世紀(jì)的最后一天，英國著名物理學(xué)家威廉·湯姆森（開爾文勛爵）發(fā)表了著名的新年致辭：物理大廈已經(jīng)落成，所剩的只是一些修飾工作。只是，動(dòng)力理論“美好而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了”。

當(dāng)時(shí)這兩朵烏云是“光以太”和“黑體輻射”。為了解決這兩朵烏云，后世出現(xiàn)了兩大學(xué)說：廣義相對(duì)論和量子力學(xué)。

上海交通大學(xué)在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的暗物質(zhì)項(xiàng)目PandaX負(fù)責(zé)人季向東曾告訴澎湃新聞，很多人會(huì)問，找到暗物質(zhì)有什么用。而他想說的是，找到暗物質(zhì)，是對(duì)人類宇宙觀的顛覆性刷新。這樣的刷新，自哥白尼提出“日心說”以來，也沒有幾次。

中國科學(xué)院院長白春禮在“悟空”的成果發(fā)布會(huì)上，同樣以“烏云比喻”的例子回應(yīng)“暗物質(zhì)對(duì)人類社會(huì)有什么影響”：沒有廣義相對(duì)論，人類就不能發(fā)展航天技術(shù)；沒有量子力學(xué)，半導(dǎo)體、量子通信和量子計(jì)算都無從談起?？梢娢镔|(zhì)只占到宇宙密度的不到5%，暗物質(zhì)和暗能量，是我們認(rèn)知宇宙的全新窗口。