暗物質：迷失的大多數

中國錦屏地下暗物質探測實驗室。光明圖片/視覺中國

中國首顆暗物質探測衛星「悟空」已經在軌運行一年了，據介紹已經取得了不少成果。科學家們相信，這些成果將會為最終解開暗物質之謎作出貢獻。光明圖片/視覺中國

2016年11月，理論物理學界的「大咖」、荷蘭阿姆斯特丹大學的理論物理學家艾瑞克·瓦爾林德（Erik Verlinde）發表論文，稱引力是由真空的量子糾纏熵呈展而來的，原先認為由暗物質造成的引力效應其實源於真空和暗能量中存在額外的熵。這一理論猜想再次引發了暗物質是否存在的討論。那麼，暗物質是否存在？其他科學家如何看待這個問題？

暗物質的發現之路

要想回答「暗物質是否存在」這個問題，首先讓我們來看看「暗物質」是如何被發現的。

茫茫宇宙中，發光的星體只是一個個可見的孤島，宇宙中的絕大部分是黑暗和混沌的。宇宙中零星存在一些不發光的物質本屬平常之事，然而隨著天文學觀測進入高精度時代，人們認識到整個宇宙中的物質是被某種不發光的神秘物質主導的——它和我們目前已知的任何一種物質都不同，而人類迄今了解的所有形形色色的物質，只是物質世界冰山的一角。

Dark Matter中文譯為「暗物質」，最早由荷蘭天文學家、恆星天文學的先驅者卡普頓（J.Kapteyn）在1922年提出，指可通過星體的運動間接推斷出的其周圍可能存在的不可見物質。但卡普頓對太陽系附近星體運動的研究未能發現暗物質存在的確鑿依據。1933年，美國加州理工大學的天體物理學家茲維基（F.Zwicky）首次在實驗中找到出暗物質存在的證據——他利用光譜紅移測量了后髮座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度，發現它們運動得太快，以至於僅靠星系團中可見星系的質量提供的引力無法將它們束縛在一起。他由此推斷，后髮座星系團之所以能夠保持現在的狀態，其中應該存在大量暗物質，並且其質量至少為可見星系的百倍以上（雖然後來更精確地研究證明只有十倍左右，但他得出暗物質為主的結論依然正確）。

然而這一革命性的結論在當時未能引起學術界的重視，但之後不斷有研究支持他的觀點。決定性的證據出現在1970年，其時，美國天體物理學家魯賓（V.C.Rubin）和福特（W.K.Ford）對仙女座大星雲中星體旋轉速度的研究取得了重大突破——這讓學術界認識到，暗物質的確大量存在，並逐漸成為學術界的主流觀點。這兩位科學家利用高精度的光譜測量技術，能夠精確地探測到非常遙遠的星體和星際氣體繞星系的旋轉速度和距離的關係。簡單地說，按照牛頓萬有引力定律，如果星系的質量主要集中在星系核心區的可見星體上，那麼星系外圍的星體的速度將隨著距離而減小。但觀測結果卻表明在相當大的範圍內，星系外圍的星體的速度是恆定的。這意味著要麼牛頓萬有引力定律是不正確的，要麼星系中有大量的不可見物質、分布在星系的非核心區，並且其質量遠大於發光星體的質量總和。

存在暗物質是學術界主流觀點

經過大量的後續研究，暗物質存在這一推論逐漸被天文學界廣泛認可。但正如前文所說，觀測到的現象也有可能意味著萬有引力定律是需要修改的，而並非由暗物質引起。荷蘭阿姆斯特丹大學的理論物理學家艾瑞克·瓦爾林德就在這條路上進行了新的探索，並取得了部分成功。但目前尚未找到一個修正的萬有引力定律的理論，能夠統一解釋主要的觀測事實，尤其是解釋宇宙中大尺度結構的形成以及微波背景輻射中的擾動。

而引入「暗物質」的概念來理解這些觀測事實，要相對容易得多。應該說，存在暗物質仍然是目前學術界的主流觀點。

暗物質雖不可見，但我們能通過其他方式發現它們存在的蛛絲馬跡。比如，星系團中普遍存在能發射出X-射線的熾熱氣體，如果沒有足夠的引力，氣體將很快「逃出」星系團並消散。因此，科學家通過氣體的溫度，就能推測出星系團的質量——大量的星系團X-射線觀測數據表明星系團質量遠大於其中發光部分的貢獻，這就說明有大量暗物質存在。再比如，根據廣義相對論，引力能導致光線彎曲。如果暗物質大量存在，其所產生的引力必然會改變「路過」它們的光線的走向。科學家在天文觀測中發現，我們看到的星系的形狀和它們的實際形狀不相符，這說明星系發出的光線「變形」了，因此推測星系團中可能存在大量暗物質。這些不同方法得出的結論基本保持一致，且可以互相印證。

在宇宙尺度上，科學家已經通過微波背景輻射確定宇宙中暗物質的總量：目前的觀測表明宇宙總物質的85%以上由暗物質貢獻，構成天體和星際氣體的常規物質只佔15%。

暗物質，已知的和未知的

然而我們對暗物質屬性的了解仍然很少——目前我們只知道暗物質不是什麼，但並不知道它是什麼——暗物質應是有質量的，能夠參與引力相互作用，但單個暗物質粒子的質量大小還不知道；暗物質應該很難衰變，因為在宇宙結構形成的不同階段都有暗物質存在的證據，其壽命起碼要長過宇宙年齡；暗物質基本不參與電磁相互作用，暗物質與光子的相互作用必須非常弱，以至於其基本不發光；數值模擬表明暗物質也不可能高速運動，否則宇宙無法在引力作用下形成目前的星系、星系團等結構；暗物質不可能是常規緻密天體，比如中子星和黑洞，因為微引力透鏡的巡天觀測研究顯示，宇宙中這類不發光的緻密天體的總量是很小的。

更重要的是，暗物質不應是常規物質，即不是由質子和中子構成的。人類已知的物質世界幾乎全部由原子核，即質子和中子構成，並且這種常規物質的總量是確定的——這可由原初核合成理論計算得出，並與觀測結果令人吃驚地相符合。因此如此大量的暗物質不可能來自常規物質，它是一種完全未知的新的物質類型。

我們已知的所有常規物質都能夠用粒子物理標準模型來解釋，但暗物質的存在對這一模型的完備性提出了巨大的挑戰。曾經有推測，中微子的性質和暗物質的性質接近，中微子或許就是暗物質。但更多的研究表明，中微子不是暗物質——它幾乎以光速運動，與暗物質低速運動的特徵不符合。由此，標準模型中再沒有合適的暗物質候選者，這明確提示我們：當前的標準模型還不是一個統一描述物質世界的完備理論。

為了找到這種完備的理論，物理學家都在努力探索著，提出了很多新理論。比如，超對稱理論就是最近比較流行的一種新理論。這種理論認為，最輕的超對稱粒子是暗物質粒子。再比如，也有理論認為，暗物質可能是軸子，是一種與對稱性破缺相聯繫的粒子。

目前世界各國都在集中力量探測暗物質屬性，我國也正在積極推進這方面研究工作。我國已經在四川錦屏建成了小型暗物質探測實驗室，這裡具有得天獨厚的有利條件，位於錦屏山地表2500米之下，是目前世界上最深的地下探測實驗室，能很好地屏蔽各種宇宙射線背景的干擾。在這裡，由清華大學負責的CDEX探測器和由上海交通大學負責的PandaX探測器正在進行探測，探測能力位居世界前列。同時，我國也在開展暗物質空間探測——我國第一顆暗物質探測衛星「悟空」已經在軌道空間收集了一年的數據。相信這些探測將會為最終解開暗物質之謎作出貢獻。

魯賓曾說：星系中不可見物質與可見物質的比例大約為10：1，這大抵也是人類對未知世界與已知世界的比例，人類對物質世界的認識只是剛剛走出幼兒園而已。暗物質問題是籠罩在21世紀科學之上的一朵烏雲，為了驅散這朵烏雲，科學家們正在努力著。