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暗物质的历史，已经有一百多年了，可是我们还是对她所知甚少。 银行系中暗物质的影响，可能导致了灾难性的后果：周期性的彗星撞地球，恐龙因为暗物质而灭亡！ 能否有一天能把暗物质用在我们日常生活中，造出了暗物质飞机，暗物质汽车，暗物质火箭，暗物质冰箱？那样我们才算真正认识了解了暗物质。 早在19世纪末，天文学家们就发现天空中星系周围似乎存在看不见不发光但是又贡献质量的物体，称之为 “暗物质”。在星系的旋转中，为了满足经典牛顿-开普勒的天体绕转模型，似乎需要比观测到的更多的物质提供中心质量，就是在我们银河系中也是如此。 随着上个世纪末天文学观测飞速发展和宇宙学标准模型的建立，人们发现在宇宙中更多的地方需要暗物质，无法解决的星系运动方式需要暗物质。
宇宙演化同样需要暗物质。为什么现在我们的宇宙分布中有密度超大的地球，太阳，银河中心黑洞，但是也有空旷无边的星系之间的虚空？这样结构的形成同样需要暗物质。 今天的宇宙就像一杯发霉了的豆浆（粒子浆），到处是“clusters and lumps”，结成一块一块一团一团，这同样需要暗物质的捣乱，让宇宙早期从一杯新鲜的分布均匀的豆浆（粒子浆）逐渐变质（演化）到今天。才有了我们的存在。 广义相对论中预言的效应同样需要有暗物质的存在，比如它预言了质量会让光线偏折。 你看的出上面的笑脸图的嘴巴和头周围的光晕其实是遥远星体们的镜像吗？ 人们猜测中间有暗物质让光线更大程度的弯曲，就像凸透镜产生的重影一样。 还有许多类似的天体观测，都同样可以用这种不发光看不见的物质来解释。可是科学家们又怎么会满足于此呢？只有真正在实验室捕捉到，收集到了暗物质，知道了他们的构成，相互作用，甚至把他们用在我们日常生活中，造出了暗物质飞机，暗物质汽车，暗物质火箭，暗物质冰箱，我们才算真正认识了解了暗物质。 一场持续了超过20年，几十个国家合力，花费数十亿美金的联合大搜索正在进行。 物理学发展到今天，我们在大型加速器上，宇宙线中已经发现了很多现实世界中很难看到的粒子，他们的一个共同点，就是跟我们已知存在的物质，有着我们已知的四种作用力中引力以外的相互作用，所以他们才会被在实验中用已知的物质产生或者与已知物质产生相互作用，才会变化（衰变）成已知的粒子。不少科学家们期待，这种我们还不了解的暗物质，同样也会通过这样的方式产生，被观测到。 可是，神秘的暗物质，真的能通过这样的传统手段被捕捉到么？ 人们利用大块甚至成吨的重原子晶体例如germanium（锗），或者惰性气体xenon或argon（氙或氩），将他们放在严密的监控下，希望空间中可能随时漂浮的暗物质会跟他们的致密原子核有反应，同时没有原子核外围电子的作用，产生特别的信号。人们不断升级这些晶体液体的质量，希望能得到更好的精度。 对宇宙深处，用各种望远镜进行的搜索，包括引力波望远镜对黑洞和中子星的探测，同时也在进行。人们希望能在空间中，银河系中心，太阳系周围，甚至黑洞附近，能找到暗物质影响的信号，看到他们的衰变产物。 在大型的加速器上，比如现在世界上能量最高的位于日内瓦的LHC（欧洲大型核子加速器），人们同时期待着，暗物质可以通过质子碰撞被产生。 人们充满期望的在进行着这些搜索，每一个新的实验结果都受到全球的高能科学家们的高度重视, 启发着人们写出几百甚至上千篇的科学论文。 十几年过去了…… 我们还是没有找到暗物质，我们对暗物质了解的增长，只是来自于一次次没有信号的实验，告诉我们那种方法找不到暗物质….. 不肯显现真面目的暗物质，越发激起了科学家的想象力。一个个新奇的暗物质模型陆续诞生，目前仅仅是粒子暗物质模型，就有上百个。 有文章指出暗物质不是一种粒子，他们是由许许多多种不同的粒子构成，还形成暗原子，暗分子，暗世界，那些暗系粒子，躲在一个“隐藏峡谷（hidden valley）”里面，自己产生，自己衰变，和我们物质世界有引力相互作用，也许只有很弱很弱的其它相互作用。 有文章说星系中的暗物质有自相互作用，所以他们的分布是会自己形成星系盘，星体，还会产生复杂的结构，影响可见星系的形成和演化。 有文章说暗物质，就像可见粒子一样，不但有正暗物质，还有反暗物质，他们如果相遇，异性相吸，会湮灭掉，爆发出巨大的能量。 有文章还说，也许暗物质很重很重，就像重元素重原子一样，在宇宙中分布很稀疏，但是因为质量大，所以他的存在还是会产生各种已知的天文影响。但是我们却因为概率，碰巧正好还没有看见他们。 有文章说暗物质也许只存在于恒星或者行星内部，只和特定元素反应，比如地球就像一个核桃，暗物质就是核桃仁，所以我们正好没有看见他们。 更有文章说，银行系中暗物质盘的影响，导致了周期性的彗星撞地球，恐龙都灭亡了！还有文章说，暗物质不是一种粒子，他们其实仅仅只是一种很轻的标量场的震荡，比如轴子（axion）。这种震荡的能量，表现出来就好像一种质量。 你相信这些暗物质解释和模型吗？不管你信不信，有人是信了，总是要尝试一下。 暗物质这段奇幻又波澜壮阔，耗费大量金钱又费时，靠谱又不靠谱的历史，让一些人们想到了一段很久很久以前的故事——-以太。 以太的历史，从古希腊启蒙时代开始，历经几起几落。人们曾经致力于寻找以太，它可以是一种粒子，也可以是一种微观结构。特别的，在相对论提出之前，经典物理学家们试图寻找以太，作为一种绝对静止的参考系，电磁波传播的媒介。人们还作出了以太是否会从正常物质衰变而来的假设。最终结果是相对论的诞生，粒子物理以太并不存在，存在的只是对于牛顿引力的修改。 “那些不从历史上学到经验的人们，必然被历史诅咒，要重复历史。 (Those who cannot remember the past are condemned to repeat it.) ——乔治·桑塔耶拿（George Santayana，1863—1952）哲学家、文学家”。 今天的我们，人们同样相信着某种微观结构的存在，就如同大多数凝聚态物理系统一样，所有的观测的现象都不是基本现象，而是一种无数微观动态而产生的集合效应，而这一现象，被我们称为“Emergent”。 从最近的流行的“emergent gravity （呈展引力）”，到修改引力的“emergent dark matter（呈展暗物质）”， 都在追寻暗物质产生的源头，引力相互作用，而没有假设一个粒子暗物质的概念，也没有进一步假设这个粒子会和我们有除引力外的相互作用。 科学的未来充满了不确定性，也许我们明天就能看到粒子暗物质，也许我们永远也看不到。但不管怎样，人们对于世界的认知，总是在一步步的向前，这点永远让人欢欣鼓舞。 本文图片来自google。 作者介绍： 孙斯纯博士， 2008年于北京大学物理学院获学士学位，2014年于美国华盛顿大学 （University of Washington）获博士学位。曾先后在加州大学圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）, 香港科技大学任职。现为台湾大学博士后。主要从事粒子物理现象学，宇宙学，以及弦论现象学的研究。
来源：中科院理论物理所 |
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