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一种我们看不到的神奇物质竟是宇宙的主要组成部分？既然它不与光发生任何作用，那凭什么确认它的存在？关于暗物质，你不知道、想知道的，都在这里！ （左）吴宝俊 中国科学院大学 （中）舒菁 中国科学院理论物理研究所研究员 （右）袁强 中国科学院紫金山天文台研究员 本文转载自公众号：“格致论道讲坛” （ID：SELFtalks） 作者：格致论道 暗物质究竟是何方神圣？ 吴宝俊：无理性不真相，欢迎收看理性派对第三季，我是本期的主持人吴宝俊。科学家告诉我们，广阔而巨大的宇宙居然只有不到5%是常规物质，剩下的95%都是由看不见、摸不着的暗物质和暗能量构成的。作为宇宙中渺小的存在，我们人类像盲人一样在一片黑暗当中寻找光明。那么，我们今天就来聊一聊什么是暗物质。 为什么我们需要暗物质？ 吴宝俊：两位老师，暗物质到底是什么东西？ 舒菁：暗物质顾名思义就是“暗”，也就是说它实际上是不发光、不参与电磁相互作用的。光就是电磁波，所以它就是一种我们看不到的物质。 吴宝俊：袁老师能不能举个具体点的例子？ 袁强：比方说，我们知道在太阳系里行星会绕着太阳运动，行星离太阳越远的时候，速度会变得越慢，这是开普勒发现的定律。大家把这个定律推广到银河系这样的尺度，去观察离银河系中心不同距离的恒星和气体物质，它们是怎么绕着银河系中心运动的。 原则上，我们的预期认为它和太阳系是一样的，距离越远，运动越慢。但大家看到的情况好像正相反，离银河系中心越远的恒星，它的速度和距离较近的恒星的速度几乎差不多的。甚至在某些星系里面，大家看到越远地方的恒星会运动得越快这样的反常现象。 大家觉得很难理解，为什么会是这个样子？一种比较直接的解释是：这里可能有一些我们看不到的物质，所以当只是通过发光的气体和恒星去估计质量的时候，会把质量估计小了，它原本的质量可能是更大的。这些不发光又能提供引力到底是什么东西呢？我们就给它取个名字叫做暗物质。 吴宝俊：就是说银河系内部有各种各样的恒星或者行星，外面的气体或者恒星绕着里面转，它所有的向心力都是里面的这些物质提供的引力。但您刚才说外面转得太快，是不是说它的向心力特别大？是不是把里面所有的引力加在一块儿都比不上人家需要的向心力？那这个差距能有多大呢？ 袁强：像银河系这样的星系，差距大概是十倍左右，我们需要的暗物质的量是看到的那些发光物质的量的十倍左右。 吴宝俊：也就是我们把银河系里所有恒星提供的引力算在一起，也解释不了剩余十分之九的问题。所以才有一个假设，假设中间可能存在不发光但又提供引力的东西，叫做暗物质。那么，历史上对于暗物质的猜想是从什么时候开始的呢？ 袁强：暗物质的历史应该有很久了。19世纪末20世纪初，那时候的天文学家就已经开始把视野放到比较遥远的天体上。大家都在做天体的测量，目的可能就是想测一下银河系的结构或者物质分布。有一些天文学家就发现了这种额外的物质，或者叫做失踪（missing）的物质。但当时大家不知道这叫做暗物质，认为可能只是有一些物质的发光比较弱。像那些非常暗淡的褐矮星，你看不到它，但它肯定在那里，还提供一些引力。当时的天文学家觉得好像也没什么大不了的。 只是后来越来越多的观测发现，那些东西不仅不发光，也和所谓的发光很弱的物质完全不一样。它不是我们已经知道的那些物质构成的发光很弱的恒星气体在提供引力，而是完全不一样的物质形态。 舒菁：我们现在已知的所有的粒子、所有的基本粒子或者是一些可能的粒子，其实它们都不符合暗物质的要求。所以我们也很好奇这究竟是一种什么样的物质。我觉得“暗”也有一种未知的意思。 思想晚餐 已完成：20% ////////// 暗物质会是黑洞吗？ 吴宝俊：刚才两位老师提到暗物质本身是不发光的，又在提供引力。其实我们知道黑洞也是不向外发光的，它也提供引力。那黑洞和暗物质有什么关系？是不是一回事？ 袁强：大家曾经一度认为黑洞可能就是暗物质，现在这个可能性也没有被完全排除。有一种所谓的原初黑洞，是在宇宙极早期的时候、在所有的结构形成之前通过量子涨落这些过程产生的。 这些黑洞不参与后面时间里我们能看到的一系列过程，比方说原初核合成、微波背景辐射的退耦、星系的形成等等。这样形成的原初黑洞遗留到今天，就可能是暗物质。它的引力在那里摆着，也不影响其它的物理过程。所以在很早之前，大家去研究暗物质的时候，就试图去找有没有这种所谓的原初黑洞类别的天体。 引力透镜 当然有很多的办法，其中一类办法就是通过引力透镜的现象去探索原初黑洞。我们往天上看会看到很多星星，假设前方有一些类似于原初黑洞的天体，它经过我们的视线方向的时候，会让星星的光发生类似偏折、闪烁和放大的效应，这就是所谓的引力透镜的效应。这是探索原初黑洞比较有效的方法。 舒菁：如果是不同质量的原初黑洞，我们也有很多新的探测方法，例如通过微波背景辐射或者引力波来进行探测，现在大家的观测手段越来越多样化。总的来说，原初黑洞作为全部暗物质的成分的可能已经被排除了，只有一个很小很小的窗口。 微波背景辐射（左）和引力波（右） 袁强：就是大家已经找了几十年了，但结果有点让人失望，大家发现那种黑洞不太可能构成宇宙的25%的这么大量的暗物质。也就是暗物质里可能有一部分来自于这种黑洞，也许是10%甚至更小的比例，但是全部都是黑洞的可能性几乎已经被排除掉了。 吴宝俊：咱们开场讲宇宙中5%是常规物质，95%是暗物质、暗能量，您刚才又讲25%是暗物质，这几个数据是怎么算出来的？ 袁强：我们主要是通过测量宇宙的演化。宇宙演化速度的快慢和宇宙里的物质构成有关，因为不同类别的物质影响宇宙演化的方式会不一样。比方说物质和暗物质影响宇宙演化的方式基本上是一样的，暗能量影响宇宙演化的方式就不同。 那么，我们通过什么办法来看宇宙的演化呢？一种办法就是超新星，Ia型超新星。我们去测不同时间的超新星离我们的距离是多远，相当于通过这个办法去立体地还原宇宙的演化速度。定出来之后，我们就可以从这个快慢中得到宇宙里的物质类别占比。通过这种办法，大家上测出来宇宙里有30%左右的物质类别，包括普通的物质和暗物质，有70%的暗能量，暗能量就是让宇宙加速膨胀的东西。 舒菁：物质和暗物质本身占比的5%和25%，实际上也是通过一些观测得来的。比如微波背景辐射，它可以看不同谱的峰值的位置。还有宇宙早期一个叫做大爆炸核合成（big bang nucleosynthesis，BBN）的过程，这个过程也是和里面这些组分是非常相关的。我们还可以测量现代的一些核的丰度或者其他的物质，也能够反推出来物质、暗物质的比例。 这些观测手段基本上倾向于我们现在所说的物质的组分。相对来讲，它已经是一个比较标准、比较牢靠的宇宙学的图像或者模型了。 思想晚餐 已完成：40% //////////// 暗物质到底是何方神圣？ 吴宝俊：接下来这个问题是代表影视创作的编剧朋友们问的。其实在我们生活中，也有一个概念是人看不见、摸不着，但有可能吸引你的，也就是灵魂。你们觉得鬼有没有可能是一种暗物质？ 舒菁：我觉得这个可能性比较小。如果真的是鬼，那可能也是一种特殊的鬼。首先它要能够操控观测实验的器材，还要操控观测实验的数据，最后才能刚好给出一个暗物质的鬼。所以要是有一个鬼的话，它也是一个高阶段的鬼，至少能够学习这些知识，把每个峰的位置调一调。 袁强：我觉得暗物质和我们这个世界的关系，可能比所谓的鬼和我们这个世界的关系还弱一点。我们身边很可能有暗物质，但是我们一无所知，根本感受不到它。它和我们之间的相互作用，比编剧编出来的鬼和我们之间相互作用还要弱很多。从这个意义上说，它可能比鬼还神秘。 吴宝俊：我们知道，常规的物质有氢氦锂铍硼等元素，那么暗物质就是简简单单的一种物质吗？还是它自己也有分类？ 舒菁：原则上来讲都有可能，它既可以是一种单一的物质，也可以有很多组分，互相之间可能还有一些相互作用，比如能够组成一个复合粒子之类的，这样的话它其实可以去更加细致地去解释一些很小的观测现象。 超对称理论 比如我觉得最好玩的是一个理论——超对称理论。简单来说，超对称理论就是每一个基本粒子都有一个作为伙伴的超粒子，就像有男的就有女的。在超粒子里面，一些可能刚好就是电中性的，然后稳定，相对而言它的热运动是冷的（较慢）。这就能够作为我们考虑的这种暗物质，它也是一个比较热门的暗物质候选者。 吴宝俊：舒老师是个理论物理学家，又把我带沟里去了。我向袁老师求助，您介绍几个咱们老百姓能听懂的词？ 袁强：暗物质这个领域当然主要是理论物理学家发挥了作用。他们的这些理论实际上不完全是为了解决暗物质的所提出的，很可能是为了解决别的问题，比如为一些基础理论还有粒子物理里的一些问题提出来一些新的粒子。研究后发现新的粒子的性质好像在很多方面和我们需要的暗物质的性质不谋而合，大家就很兴奋，暗物质可能就是这个东西吧。 但关键问题在于这种新理论太多了，舒老师可能就提到了五个或者十个，全世界还有那么多的理论物理学家，大家都在提自己的理论，有很多的模型。 这是大家在学术报告这些场合里经常能够看到一张暗物质模型的，图的横轴是暗物质粒子的质量，纵轴是它相互作用的强度。大家就把那些模型往这个图上点，点完了之后发现质量上跨了好几十个数量级，相互作用强度上又跨了好几十个数量级。这一来大家就两眼一抹黑了，图上各种理论铺满了，各家的解释都是不一样的。 舒菁：我觉得最大的问题就是，实际上确确实实没有任何真正的证据或者信号，让我们能够知道暗物质有可能在图上哪个地方。从科学的角度上来讲，暗物质领域确实在蓬勃发展，不断有新的候选者、新的理论、新的方法被提出来；但从另一方面来讲，我们的确到目前为止还没有任何真正的线索。这有点像大海捞针，我们真的不知道它在哪。 思想晚餐 已完成：50% ////////// 寻找暗物质难在哪里？ 吴宝俊：那是不是意味着暗物质测量本身其实存在着很大的困难？这个困难点到底在哪里呢？ 舒菁：最大的困难就是不知道你的目标在哪，不知道从哪里去入手。 简单来讲，实际上暗物质探测是铺得很开的。也就是真正做暗物质探测的时候，不是说有一个A模型我们就去探测A模型，有一个B模型我们就去探测B模型，而是像袁老师说的要根据它的质量、它的相互作用强度来选择探测的手段。我们需要在一个大的范围内用一定的探测手段，比如我现在很感兴趣的超轻暗物质探测。 吴宝俊：为什么叫超轻暗物质探测呢？ 舒菁：因为它很大程度上和普通的暗物质完全不一样。我们知道量子力学里有个东西叫做波粒二象性，既可以是粒子，也可以是波，每一个物质都是这样。如果它是超轻的话，意味着它的波长可以非常长。但是如果一个微观物体的质量超轻，它的波长就能够达到宏观的尺度。我们去观测这个暗物质，它看上去就不像一个粒子，表现出来更像一个物质波。 所以，我们能想象这个时候不是用探测粒子比如粒子碰撞这种方式来探测它，实际上是用一个探测像引力波这种物质波的形式去做。它的整个方式、出发点和原理都是全新的，这也是一个很热门的话题。 我现在有很大一部分合作，包括和袁老师的合作，都是投入到超轻暗物质里的。包括理论探测还有搜索的方法，甚至自己去亲自去提出和领导一些实验。 吴宝俊：既然暗物质不发光，所以我们看不见它，看不见它也就确实探测不到。我甚至觉得有没有可能永远都探测不到它？ 舒菁：不是这样的，你看不见它，但可以用别的方式去摸它呀。比如你是看不见的，但是说不定我打你一拳还打得到你。它可以有别的相互作用啊。 比如说如果直接暗物质探测，暗物质和核子（质子、中子及其反物质的总称）有一个相互作用，这个作用就算非常小，但它并不是没有。 吴宝俊：暗物质不参与电磁相互作用，但是它飞过来之后也有可能撞到质子、中子上？ 舒菁：它是通过一个相互作用力，虽然不是电磁相互作用力，而是别的比如弱相互作用，或者是暗物质本身有一些新的相互作用。 思想晚餐 已完成：60% ////////// “悟空”卫星是如何寻找暗物质的？ 吴宝俊：袁老师向您求助，您在天文台工作，天文台有没有什么实验仪器能够探测到这种细微的相互作用？ 袁强：我们紫金山天文台正在做一个暗物质探测实验，但是和刚才舒老师讲的那种直接探测实验有点不太一样，我们那个叫间接探测实验。 刚才舒老师讲的暗物质可能和物质之间有一种所谓的相互作用，但它还会有另外一个效果，比如这个暗物质粒子它可能会湮灭。 湮灭之后，它就能产生我们知道的那些普通的粒子。在我们的标准模型里，这种湮灭过程是经常发生的。比如一对正负电子碰到一起会湮灭，它可能会产生一对伽马光子。除了变成光，它们还可以变成其他的一些粒子，比如是一对π介子。 暗物质它也可能有这样的过程发生。两个暗物质粒子碰到一起的概率很小，但是碰到一起之后就湮灭掉了。这个暗物质就没了，但是会产生一些新的粒子。新的粒子就可能是我们所谓标准模型的粒子，或者说已知的那些粒子。比方说，它可以产生一对正负电子。 这就和理论模型有关。比如舒老师的模型预期它产生的可能是夸克，另外一个老师的模型预期它产生的可能就是轻子或者其他的东西。 吴宝俊：每个老师的预言还不一样。 袁强：然后产生的这些粒子在宇宙空间里飘，它就是宇宙射线。我们做的事情就是发了一颗卫星到天上去，把那些宇宙射线的粒子测量、记录下来。这些粒子里就有可能包含这种暗物质湮灭所产生的信号。 我们这个实验必须要放到天上。你把那个仪器摆在地上的话，那些宇宙线粒子打进来之后，就会全被大气消耗掉，你就看不到了。 吴宝俊：您说的天上的卫星是不是就是新闻中我们见过的“悟空”号？ “悟空”号暗物质粒子探测卫星 袁强：是的。我们这个办法叫做间接探测，原因是我们看到的那些类似于宇宙射线的东西，其实绝大多数都是天体物理过程产生的。这里面有可能包含暗物质产生的，但你很难直接地搞出来中间哪一部分是暗物质产生的。 舒菁：而其从暗物质湮灭到这个东西真的跑到这儿来被探测到，中间还经历了一系列曲折的过程。 思想晚餐 已完成：70% ////////// 在四川的地下深处寻找暗物质 吴宝俊：这是一个间接探测的方法。舒老师之前说了直接探测，那咱们国家有哪个实验室是做直接探测的？ 舒菁：其实挺多的，而且做得还非常好。比如在四川锦屏的国家地下实验室了。在很多探测中，实际上宇宙中的μ子会给你很多干扰，相当于是噪音。我们想把它排掉，最简单的方式就是把实验本身放在深地，越深越好，它穿过这些岩石就会被自动屏蔽掉了。 中国锦屏地下实验室示意图 吴宝俊：别的粒子在往下走的过程中就被排除掉了，暗物质不参加各种相互作用，它的穿透深度比别人要高很多。所以在地底深处，只要周围没有放射性物质放出这种干扰的信号，你接收到的信号大概率就有暗物质？ 舒菁：也只是提高了这个概率，最后你还要反推，是有一个复杂的判断过程。现在主要是是清华大学和上海交通大学两个实验组在做直接探测这方面，也达到了前沿的水平，能和国际上一些大的实验组进行同步竞争。 吴宝俊：那么世界范围内其他国家的研究组，他们是怎么探测暗物质的？ 舒菁：其实也是挖坑，但是他们没有我们这个条件。我们相当于本身有个山，为了建水电站在山底下直接打好一个隧道。他们是真的从上往下挖，像挖井一样。有的可能以前是有矿坑，也利用了一点原有的矿坑基础，但是还是要挖得特别深。因为毕竟纯挖一个坑的成本太高了。 袁强：然后现在国际上的空间实验里也有好多类似的实验，和我们“悟空”号有点类似。比如丁肇中教授做的阿尔法磁谱仪就放在国际空间站上面。暗物质是它的一个重要目标。 他当时是做了一号和二号。一号相当于是技术验证，大概1998年的时候搭载航天飞机在天上待了两个星期，算是成功了。丁先生就把队伍重新拉起来做二号，二号就做得更加宏观，然后放到了国际空间站上面。二号是2011年发射的，现在已经运行十年左右的时间了。它主要也是测各种宇宙射线的粒子，和我们“悟空”号的原理基本上是一样的，可以用来间接地探测暗物质。 吴宝俊：那么，两位老师能不能猜测一下，刚才讲的间接探测的方式和直接探测的方式，你们认为哪一种更有可能先发现暗物质？ 袁强：我当然希望我们的实验可以发现暗物质，但是从专业的角度去判断，我觉得是没办法判断。而且我们刚才讲的这些直接探测、间接探测，其实也只是探测手段的其中一类。有可能暗物质就不是这一类的东西，所以这些对它的作用说不准。 舒菁：比如像我说的超轻暗物质，它就不在这一类里。那可能得通过物质波的探测或者是一些别的手段。 吴宝俊：我算看出来了，不管是理论物理学家还是天文学家，对测量本身并没有100%的自信，说我一定能找到。所以，这也是咱们科学研究的一个特点，我们只能去试试，但是不能确定100%能成功。 舒菁：具有偶然性，你得有一定的好奇心，要敢于承受失败，科学都是在不断失败的过程中发展的。 袁强：科学发现有很大的不可预测性。 思想晚餐 已完成：80% ////////// 为什么科学家要研究暗物质？ 吴宝俊：那么一个犀利的问题就来了，这个问题其实也是很多老百姓想提的问题。科学家做研究工作本身不能保证100%的成功，让你们去做出前瞻性的预言，很多时候大家也很保守。那么你们研究的价值在哪里？你们为什么要从事这方面的研究呢？ 舒菁：首先，我要谈谈对“大家让科学家做出前瞻性的预言，科学家都很保守”这句话的看法。我觉得这并不完全，科学家也不一定都很保守，其实科学家提出的有些东西真的很大胆，甚至过于超前，所以不能说很保守。 但是，如果让我们承诺某些东西是一定或者肯定的，那在某种程度上一个比较专业、负责任的科学家，我觉得确实会保守一些。因为很多时候科学是一个探索的过程，在某种意义上更多是一个从零到一的过程。科学不是一个简单的跟随或者重复性的东西。在这从零到一的过程中，失败的可能性真的是99%，甚至有时候是99.9%。 我本人做某件事情的时候，我肯定会有自己的判断或者选择。我可能觉得这个东西未来的发展比较有趣，比如我现在最感兴趣的超轻暗物质的探测。我还是会有我的观点，或者可以说是就是权重。 袁强：科学的发展有它自己的规律，这个规律不是按照某些人预想的样子去发展的，很多时候科学的突破来自于偶然。我们回过头去看历史上的一些科学突破，很多时候是大家原本想去看这件事，结果发现了另一个东西。 舒菁：其实最夸张的就是某一个东西它的噪音一直擦不掉，最后发觉其实这是一个大的发现。 吴宝俊：您说是微波背景辐射吧。如果有不了解微波背景辐射的朋友，可以返回去看理性派对第二季宇宙大爆炸那一期。 袁强：我们去做这些事情当然会带着一个预期，这个预期包含我们自己对这个问题的判断，我们可能推测说在这个方向有可能会成功，所以就照着这个方向去努力。但结果没办法预设，可能失败，但也可能在这个问题上没成功，在另外一个问题上成功了，经常会发生这样的事情。所以我觉得从这个意义上来说，去做这些事情还是有一定的动机，可以支撑我们去做这些事情。 吴宝俊：这个动机是不是想得诺贝尔奖，二位老师你们觉得做暗物质研究有没有可能得诺贝尔奖？ 舒菁：我觉得是非常有可能的。不过，真正的科学是探索未知，了解我们大自然的这种客观规律。你掌握这种规律之后，能够真正让人类的生活水平有更大的提升和进步。 很多时候大家会说：“中国的大学没有一个诺贝尔奖，那就是比人家差了十万八千里。”但我觉得不能这么看，首先诺贝尔奖有很强的滞后性，其次很多时候它有特定的一些评奖规则，并不是所有的东西都适合评诺贝尔奖。有些东西实际上贡献很大，但可能不完全符合某些标准和要求。所以，我觉得要综合性地去看待这件事情。教学和科研本身要有真正的、实质性的底层目的，我觉得这反而是更重要的事情。 袁强：我们的目的其实还是想认识这个世界。当然，我相信认识清楚暗物质这个问题肯定值得诺贝尔奖，而且有可能不止一个。 吴宝俊：所以诺贝尔奖并不是科学家从事科学研究的源动力，科学家最主要的目的还是为了推进人类文明的进步。 我们今天请来了中国科学院理论物理研究所的舒菁研究员，和中国科学院紫金山天文台的袁强研究员，全程云里雾里地聊了一期暗物质。在节目的最后，我们请二位老师表达一下参与节目录制的感想。 舒菁：我觉得比想象得要辛苦，但是也很欣慰。我希望观众能够对暗物质或者其他科学问题有更多的兴趣，当然也非常欢迎在这方面想要有更多了解的年轻人能够进入科学探索的领域。 袁强：稍微有点紧张，有些事情可能讲得没有那么透，大家可以到紫金山天文台去找我，到时候还可以详聊。 吴宝俊：暗物质不是鬼，如果科学家真的发现了暗物质，也没有见到鬼，而是见到了诺贝尔。 “格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。 |
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