暗物質(zhì)如果真的是一種物質(zhì)，這些物質(zhì)到底有什么樣的性質(zhì)呢？我們?cè)撊绾稳ヌ綔y(cè)暗物質(zhì)呢？

要說(shuō)清楚這兩個(gè)問(wèn)題，我們需要一些預(yù)備知識(shí)……

01 反物質(zhì)無(wú)處不在，你也接觸過(guò)？

以前曾經(jīng)碰上有一臉稚氣的小朋友問(wèn)我，暗物質(zhì)是不是反物質(zhì)啊？大概現(xiàn)在科幻作品里面很喜歡提到反物質(zhì)引擎。于是反物質(zhì)這個(gè)詞出現(xiàn)的概率也很高。孩子的好奇心總是很強(qiáng)烈的，于是這個(gè)詞他就記住了。一般人也很容易把反物質(zhì)和暗物質(zhì)搞混淆。

我這里明確回答一下：暗物質(zhì)和反物質(zhì)不是一回事。反物質(zhì)是反粒子構(gòu)成的。對(duì)于反粒子，物理學(xué)家們并不陌生。最早被發(fā)現(xiàn)的反粒子就是正電子。正常的電子帶負(fù)電，但是反電子帶的是正電，除此之外這兩種粒子看不出什么區(qū)別。

有史以來(lái)觀測(cè)到的第一顆正電子的云室照片

大多數(shù)人都以為反物質(zhì)只能出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中，不會(huì)出現(xiàn)在我們的日常生活中，其實(shí)并不是這樣，我們每一個(gè)人都接觸過(guò)反物質(zhì)，甚至可以說(shuō)，反物質(zhì)無(wú)處不在。一個(gè)最常被用來(lái)引用的例子是香蕉，不知道為啥，物理學(xué)家們非常喜歡用香蕉來(lái)舉例子。

可能是因?yàn)橄憬独锩婧蟹浅ＸS富的鉀元素，極少量的鉀原子帶有放射性，100 克香蕉平均每秒鐘會(huì)有 15 個(gè)鉀原子發(fā)生衰變。發(fā)射出普通的帶負(fù)電的電子，但是，這里大概有千分之一的概率會(huì)出現(xiàn)正電子。假如你手上握著一根香蕉，大約兩小時(shí)之內(nèi)就會(huì)有一個(gè)正電子打進(jìn)你的手里。這個(gè)正電子要是碰到了普通的電子，就會(huì)發(fā)生正反粒子湮滅，變成了純能量。當(dāng)然，這種極其微小的能量，你是一點(diǎn)感覺(jué)也沒(méi)有的。

02 四種基本的力

那么有的人仍然有疑問(wèn)，為什么有些元素會(huì)有放射性呢？為什么會(huì)發(fā)生衰變呢？原因就在于一種叫弱相互作用的物理現(xiàn)象，正是弱相互導(dǎo)致了某些原子核是不穩(wěn)定的。與弱相互作用相對(duì)應(yīng)的還有一個(gè)強(qiáng)相互作用。一般來(lái)講，強(qiáng)相互作用會(huì)把原子核捆在一起，形成各種各樣的元素。而弱相互作用則會(huì)導(dǎo)致原子核不穩(wěn)定，發(fā)生衰變。

放射性衰變是由于弱相互作用引起的，它將中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子、電子和電子反中微子

除了強(qiáng)弱相互作用，還有電磁相互作用讓原子能結(jié)合成分子，分子能結(jié)合成物質(zhì)；另外還有一種相互作用就是我們最熟悉的萬(wàn)有引力，它保證了我們能穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)卣驹诘厍蛏希ＷC了地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。

這四種基本的相互作用，或者說(shuō)這四種基本的力，協(xié)同配合，就構(gòu)成了我們看得見(jiàn)摸得著的物質(zhì)世界。

好了，預(yù)備知識(shí)講完了。你可能想問(wèn)，這和我們的主題暗物質(zhì)有什么關(guān)系呢？答案是大有關(guān)系。

03 大力出奇跡？

回答暗物質(zhì)到底是個(gè)什么東西這樣一個(gè)高深的問(wèn)題，讓天文學(xué)家來(lái)回答不合適，這事兒還是交給粒子物理學(xué)家去尋找答案。粒子物理學(xué)家們可以雙管齊下，一方面用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，也可以調(diào)用大型設(shè)備去做非常精密的實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)在粒子物理學(xué)家們提出了很多描述暗物質(zhì)的理論，最有希望的一種版本叫做 WIMPs 模型，全稱就是弱相互作用重粒子，后面為了講解方便，我就把它簡(jiǎn)稱為“暗粒子模型”。

WIMPs 模型的藝術(shù)圖

說(shuō)白了，科學(xué)家們也在猜測(cè)，暗物質(zhì)顯然沒(méi)有電磁相互作用，所以我們看不到它們。強(qiáng)相互作用恐怕也是沒(méi)有的。但是，這種物質(zhì)有引力，這是板上釘釘?shù)氖虑?。那么有沒(méi)有弱相互作用呢？這成了了解暗物質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

很多物理學(xué)家猜測(cè)，暗物質(zhì)應(yīng)該也有弱相互作用。暗粒子模型描述的暗物質(zhì)粒子運(yùn)行速度不快，但是質(zhì)量很大，粒子的運(yùn)動(dòng)速度決定了物質(zhì)的溫度，因此這種猜測(cè)下的暗物質(zhì)也被叫做冷暗物質(zhì)。

根據(jù)暗粒子模型計(jì)算出來(lái)的暗物質(zhì)數(shù)量和天文觀測(cè)計(jì)算出來(lái)的數(shù)量比較相符，數(shù)據(jù)匹配特別好，而且也和宇宙大爆炸理論相符合。所以，物理學(xué)家們把它稱為 WIMPs 奇跡。大家喜歡這個(gè)理論的另外一個(gè)理由是，這個(gè)理論是可以用大型粒子加速器或者其他的辦法去探測(cè)的，能夠用實(shí)驗(yàn)去檢測(cè)是一個(gè)可靠理論必備的特征。

歐洲核子研究中心有著世界上最大的對(duì)撞機(jī) LHC，在粒子對(duì)撞的過(guò)程中就有可能會(huì)生成暗粒子。但是目前 LHC 并沒(méi)有探測(cè)到到什么特別的跡象。看來(lái)想依靠對(duì)撞機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室里面造出暗物質(zhì)粒子是很難的，即便偶爾造出來(lái)了，恐怕也很難捕捉。這條路暫時(shí)是走不通的，還需要去想別的辦法。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) LHC 占據(jù)了一條周長(zhǎng)近 27 公里的地下隧道

04 暗物質(zhì)是一種中微子？

雖然暗粒子模型這種理論看上去很不錯(cuò)，但是它也有解決不掉的煩惱。把這個(gè)模型輸入計(jì)算機(jī)，用大型超級(jí)計(jì)算機(jī)去模擬一種矮橢球星系的形成的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)計(jì)算出來(lái)的數(shù)值偏大。冷暗物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致星系變成一鍋粥，顯得非常稠密。可是天文觀測(cè)到的矮星系并沒(méi)有那么稠密。這么來(lái)看，似乎冷暗物質(zhì)又是不對(duì)的。不過(guò)，在科學(xué)研究中，如果一個(gè)理論在解釋大多數(shù)現(xiàn)象時(shí)都表現(xiàn)得很好，但是卻遇到了一個(gè)反例，這時(shí)候科學(xué)家們通常不愿意推翻整個(gè)理論，而是想著能不能打一個(gè)補(bǔ)丁來(lái)解決。

冷暗物質(zhì)（CDM）

于是，科學(xué)家們?cè)O(shè)想用另外一種理論來(lái)解釋矮橢球星系的問(wèn)題。在現(xiàn)在人們已知的粒子之中，有一種中微子。這種粒子非常輕，而且也不容易和別的物質(zhì)發(fā)生相互作用，所以這種粒子可以輕松地穿透整個(gè)地球，如入無(wú)人之境。

1970 年 11 月 13 日，首次使用氫氣泡室探測(cè)中微子。一個(gè)中微子撞擊氫原子中的質(zhì)子（照片右側(cè)三條軌跡）

過(guò)去大家以為中微子是沒(méi)有質(zhì)量的粒子。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量不為 0，但是非常微小。中微子的質(zhì)量起碼比電子輕了上百萬(wàn)倍?，F(xiàn)在只能大概估計(jì)出一個(gè)大致的數(shù)量級(jí)。中微子也有不同的種類，而且會(huì)變來(lái)變?nèi)?，?lái)回變身。因此中微子也是一個(gè)神秘莫測(cè)的家伙。

現(xiàn)在有些物理學(xué)家假設(shè)，暗物質(zhì)粒子會(huì)不會(huì)是一種運(yùn)動(dòng)速度非?？斓闹形⒆幽兀窟@也被稱為“熱暗物質(zhì)”。他們把這個(gè)熱暗物質(zhì)模型拿到計(jì)算機(jī)里面去算，模擬矮橢球星系的形成過(guò)程，看看計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是否匹配。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種熱暗物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致星系變成一盤散沙，根本無(wú)法凝聚?？磥?lái)，熱暗物質(zhì)的假說(shuō)也遇到了很大的困難。

05 科學(xué)質(zhì)疑 VS 盲目質(zhì)疑

那么不冷不熱的“溫暗物質(zhì)”行不行呢？經(jīng)過(guò)大型計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算，不冷不熱的“溫暗物質(zhì)”倒是可以形成矮橢球星系。但問(wèn)題是，補(bǔ)了西墻，卻拆了東墻，又有另外一些數(shù)據(jù)完全對(duì)不上了。

模擬熱（左）、溫（中）和冷（右）暗物質(zhì)宇宙在高紅移（早期）時(shí)的結(jié)構(gòu)

所以，到現(xiàn)在為止，暗物質(zhì)的身份到現(xiàn)在仍然是一個(gè)謎，我們依然缺乏一個(gè)很有效的理論模型去解釋暗物質(zhì)。暗物質(zhì)似乎給粒子物理學(xué)家們?cè)O(shè)下了重重陷阱，你要想揭開(kāi)暗物質(zhì)神秘的面紗就不得不面對(duì)一個(gè)又一個(gè)的坑。這個(gè)坑你巧妙地化解了，說(shuō)不定就掉進(jìn)下一個(gè)坑里。你的理論對(duì)這個(gè)現(xiàn)象可以完美地解釋，對(duì)那個(gè)現(xiàn)象則毫無(wú)辦法。

有一小撮比較另類的科學(xué)家則在旁邊竊笑不已，他們嚴(yán)守奧卡姆剃刀原理：“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”，為什么一定要假想一種說(shuō)不清道不明的暗物質(zhì)呢？為什么只有添加了這種東西才能解釋星系邊緣恒星速度不正常的現(xiàn)象呢？難道你們就沒(méi)想過(guò)對(duì)現(xiàn)有的引力理論下手嗎？

這樣的想法足夠另類，到現(xiàn)在為止，以牛頓、愛(ài)因斯坦為首的科學(xué)家們歷經(jīng)數(shù)百年建立起來(lái)的理論大廈經(jīng)受住了無(wú)數(shù)嚴(yán)苛實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，但依然有一些科學(xué)家們懷著質(zhì)疑精神。我必須告訴大家，科學(xué)地質(zhì)疑與盲目質(zhì)疑的區(qū)別在于，你不能只破壞不建設(shè)，為了質(zhì)疑而質(zhì)疑沒(méi)有意義，你必須要提出一個(gè)更好的替代品。這些科學(xué)家就試圖修正牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。

06 修正牛頓力學(xué)？

這一派科學(xué)家雖然他們?nèi)藬?shù)很少，但是他們?cè)谖锢韺W(xué)界依然很活躍?？茖W(xué)與宗教的區(qū)別在于，科學(xué)沒(méi)有像圣經(jīng)一樣不可侵犯的教義，科學(xué)只講邏輯和實(shí)證。無(wú)論是多數(shù)派還是少數(shù)派，任何科學(xué)理論必須經(jīng)受全世界同行的評(píng)議，多數(shù)派科學(xué)家就認(rèn)為那些修正牛頓動(dòng)力學(xué)的努力有點(diǎn)像事后諸葛亮，他們純粹是為了湊出一根曲線，強(qiáng)行給牛頓理論打了個(gè)補(bǔ)丁進(jìn)去。

現(xiàn)在的情況是，主流科學(xué)界遵循久經(jīng)考驗(yàn)的牛 - 愛(ài)理論體系，但是不得不引入一個(gè)目前還看不見(jiàn)摸不著的新物質(zhì)。而作為少數(shù)派的理論不需要引入暗物質(zhì)，保持了系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性，但又對(duì)久經(jīng)考驗(yàn)的牛頓定律下手。總之，科學(xué)家們感到兩難。

一般來(lái)講，要提出一個(gè)新的理論來(lái)取代舊理論，需要滿足幾個(gè)要求：

1.新理論必須能夠復(fù)制舊理論所有的成功之處；

2.新理論必須能夠解釋新的現(xiàn)象，否則也沒(méi)有提出新理論的必要性；

3.最重要的是新理論必須有預(yù)言能力，并且能夠在實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)上被驗(yàn)證。

修正牛頓動(dòng)力學(xué)理論雖然支持的人很少，但是這個(gè)理論仍然是在科學(xué)方法論的框架之內(nèi)提出來(lái)的，也可以用科學(xué)方法去驗(yàn)證。修正牛頓動(dòng)力學(xué)在解釋星系里恒星的運(yùn)動(dòng)速度異常這方面干得特別漂亮，但是其他方面都差強(qiáng)人意。不過(guò)，幾十年來(lái)，這個(gè)理論并沒(méi)有完全退出歷史舞臺(tái)。

哪知道，2018 年 3 月的一個(gè)消息，估計(jì)讓支持修正牛頓動(dòng)力學(xué)的人要哭暈在廁所里了。到底怎么回事？咱們下期再聊。