戲說暗物質：是什麼？在哪裡？未來如何？——一場想像力的狂歡

暗物質的歷史，已經有一百多年了，可是我們還是對她所知甚少。

銀行系中暗物質的影響，可能導致了災難性的後果：周期性的彗星撞地球，恐龍因為暗物質而滅亡！

能否有一天能把暗物質用在我們日常生活中，造出了暗物質飛機，暗物質汽車，暗物質火箭，暗物質冰箱？那樣我們才算真正認識了解了暗物質。

早在19世紀末，天文學家們就發現天空中星系周圍似乎存在看不見不發光但是又貢獻質量的物體，稱之為 「暗物質」。在星系的旋轉中，為了滿足經典牛頓-開普勒的天體繞轉模型，似乎需要比觀測到的更多的物質提供中心質量，就是在我們銀河系中也是如此。

隨著上個世紀末天文學觀測飛速發展和宇宙學標準模型的建立，人們發現在宇宙中更多的地方需要暗物質，無法解決的星系運動方式需要暗物質。

為什麼上圖中的「子彈頭」星系有這樣奇怪的形狀？像是衝擊波？這一定是有看不見的魔鬼「暗物質」在召喚它！暗物質分布在上圖兩個綠色等場強圈附近， 提供著可見物質無法提供的引力場強。

宇宙演化同樣需要暗物質。為什麼現在我們的宇宙分布中有密度超大的地球，太陽，銀河中心黑洞，但是也有空曠無邊的星系之間的虛空？這樣結構的形成同樣需要暗物質。

今天的宇宙就像一杯發霉了的豆漿（粒子漿），到處是「clusters and lumps」，結成一塊一塊一團一團，這同樣需要暗物質的搗亂，讓宇宙早期從一杯新鮮的分布均勻的豆漿（粒子漿）逐漸變質（演化）到今天。才有了我們的存在。

廣義相對論中預言的效應同樣需要有暗物質的存在，比如它預言了質量會讓光線偏折。

你看的出上面的笑臉圖的嘴巴和頭周圍的光暈其實是遙遠星體們的鏡像嗎？ 人們猜測中間有暗物質讓光線更大程度的彎曲，就像凸透鏡產生的重影一樣。

還有許多類似的天體觀測，都同樣可以用這種不發光看不見的物質來解釋。可是科學家們又怎麼會滿足於此呢？只有真正在實驗室捕捉到，收集到了暗物質，知道了他們的構成，相互作用，甚至把他們用在我們日常生活中，造出了暗物質飛機，暗物質汽車，暗物質火箭，暗物質冰箱，我們才算真正認識了解了暗物質。

一場持續了超過20年，幾十個國家合力，花費數十億美金的聯合大搜索正在進行。

物理學發展到今天，我們在大型加速器上，宇宙線中已經發現了很多現實世界中很難看到的粒子，他們的一個共同點，就是跟我們已知存在的物質，有著我們已知的四種作用力中引力以外的相互作用，所以他們才會被在實驗中用已知的物質產生或者與已知物質產生相互作用，才會變化（衰變）成已知的粒子。不少科學家們期待，這種我們還不了解的暗物質，同樣也會通過這樣的方式產生，被觀測到。

可是，神秘的暗物質，真的能通過這樣的傳統手段被捕捉到么？

人們利用大塊甚至成噸的重原子晶體例如germanium（鍺），或者惰性氣體xenon或argon（氙或氬），將他們放在嚴密的監控下，希望空間中可能隨時漂浮的暗物質會跟他們的緻密原子核有反應，同時沒有原子核外圍電子的作用，產生特別的信號。人們不斷升級這些晶體液體的質量，希望能得到更好的精度。

對宇宙深處，用各種望遠鏡進行的搜索，包括引力波望遠鏡對黑洞和中子星的探測，同時也在進行。人們希望能在空間中，銀河系中心，太陽系周圍，甚至黑洞附近，能找到暗物質影響的信號，看到他們的衰變產物。

在大型的加速器上，比如現在世界上能量最高的位於日內瓦的LHC（歐洲大型核子加速器），人們同時期待著，暗物質可以通過質子碰撞被產生。

人們充滿期望的在進行著這些搜索，每一個新的實驗結果都受到全球的高能科學家們的高度重視, 啟發著人們寫出幾百甚至上千篇的科學論文。

十幾年過去了……

我們還是沒有找到暗物質，我們對暗物質了解的增長，只是來自於一次次沒有信號的實驗，告訴我們那種方法找不到暗物質…..

不肯顯現真面目的暗物質，越發激起了科學家的想像力。一個個新奇的暗物質模型陸續誕生，目前僅僅是粒子暗物質模型，就有上百個。

有文章指出暗物質不是一種粒子，他們是由許許多多種不同的粒子構成，還形成暗原子，暗分子，暗世界，那些暗系粒子，躲在一個「隱藏峽谷（hidden valley）」裡面，自己產生，自己衰變，和我們物質世界有引力相互作用，也許只有很弱很弱的其它相互作用。

有文章說星系中的暗物質有自相互作用，所以他們的分布是會自己形成星系盤，星體，還會產生複雜的結構，影響可見星系的形成和演化。

有文章說暗物質，就像可見粒子一樣，不但有正暗物質，還有反暗物質，他們如果相遇，異性相吸，會湮滅掉，爆發出巨大的能量。

有文章還說，也許暗物質很重很重，就像重元素重原子一樣，在宇宙中分布很稀疏，但是因為質量大，所以他的存在還是會產生各種已知的天文影響。但是我們卻因為概率，碰巧正好還沒有看見他們。

有文章說暗物質也許只存在於恆星或者行星內部，只和特定元素反應，比如地球就像一個核桃，暗物質就是核桃仁，所以我們正好沒有看見他們。

更有文章說，銀行系中暗物質盤的影響，導致了周期性的彗星撞地球，恐龍都滅亡了！還有文章說，暗物質不是一種粒子，他們其實僅僅只是一種很輕的標量場的震蕩，比如軸子（axion）。這種震蕩的能量，表現出來就好像一種質量。

你相信這些暗物質解釋和模型嗎？不管你信不信，有人是信了，總是要嘗試一下。

暗物質這段奇幻又波瀾壯闊，耗費大量金錢又費時，靠譜又不靠譜的歷史，讓一些人們想到了一段很久很久以前的故事——-以太。

以太的歷史，從古希臘啟蒙時代開始，歷經幾起幾落。人們曾經致力於尋找以太，它可以是一種粒子，也可以是一種微觀結構。特別的，在相對論提出之前，經典物理學家們試圖尋找以太，作為一種絕對靜止的參考系，電磁波傳播的媒介。人們還作出了以太是否會從正常物質衰變而來的假設。最終結果是相對論的誕生，粒子物理以太並不存在，存在的只是對於牛頓引力的修改。

「那些不從歷史上學到經驗的人們，必然被歷史詛咒，要重複歷史。

(Those who cannot remember the past are condemned to repeat it.)

——喬治·桑塔耶拿（George Santayana，1863—1952）哲學家、文學家」。

今天的我們，人們同樣相信著某種微觀結構的存在，就如同大多數凝聚態物理系統一樣，所有的觀測的現象都不是基本現象，而是一種無數微觀動態而產生的集合效應，而這一現象，被我們稱為「Emergent」。 從最近的流行的「emergent gravity （呈展引力）」，到修改引力的「emergent dark matter（呈展暗物質）」， 都在追尋暗物質產生的源頭，引力相互作用，而沒有假設一個粒子暗物質的概念，也沒有進一步假設這個粒子會和我們有除引力外的相互作用。

科學的未來充滿了不確定性，也許我們明天就能看到粒子暗物質，也許我們永遠也看不到。但不管怎樣，人們對於世界的認知，總是在一步步的向前，這點永遠讓人歡欣鼓舞。

本文圖片來自google。

作者介紹： 孫斯純博士， 2008年於北京大學物理學院獲學士學位，2014年於美國華盛頓大學 （University of Washington）獲博士學位。曾先後在加州大學聖芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）, 香港科技大學任職。現為台灣大學博士後。主要從事粒子物理現象學，宇宙學，以及弦論現象學的研究。

來源：中科院理論物理所

編輯：霧裡熊

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