牛顿和爱因斯坦错了吗？为此，科学家们上天入地寻找暗物质

11月30日，暗物质粒子探测卫星“悟空”公布了首批科学成果：目前国际上精度最高的电子宇宙线能谱。基于能谱的一些异常，科学家们发现了暗物质粒子可能存在的新迹象。

“悟空”的火眼金睛，试图穿透现代物理学的两朵乌云之一，让真相现形。这两朵乌云，就是暗物质和暗能量。它们围绕在万有引力和广义相对论的上空，已经接近一个世纪。

牛顿和爱因斯坦的引力理论将天体的运行规律归纳在简洁的公式中，根据一系列参数的设定，科学家们就能模拟出整个宇宙。

然而，从20世纪20年代开始，随着观测视野的拓宽，万有引力和广义相对论的计算在星系到宇宙的尺度上开始“跑偏”。

比如，根据牛顿万有引力的计算，太阳围绕银河系中心的运行速度应该在160公里每秒左右，然而，科学家们实际观测到的运行速度达到了240公里每秒。以这样的速度，太阳应该直接被“甩”出去才对。

爱因斯坦和牛顿，错了吗？

除非……银河系的实际质量，要比目前人类所知的大上10倍！银河系“谎报体重”！

换句话说，银河系的大部分，是由我们看不到的神秘物质构成的，它们提供了太阳与银心之间额外的引力，吸住了高速运行的太阳。这些暗物质和暗能量，仿佛一团晕，笼罩在整个银河系。

同样的“悬案”也衍生到了宇宙的整体布局上。若非还有神秘的不可见物质发挥了引力作用，科学家们难以解释星系们是如何从大爆炸后开始不均匀地分布、远离，形成如今的状态。

此时引用柯南道尔的名言，或许恰到好处：排除了一切的不可能，剩下的不管多么难以置信，一定就是真相。

这些不可见的“暗物质”，虽然和人类已知的粒子性质完全不同，但若要捍卫牛顿和爱因斯坦的引力理论，科学家们不得不接受这个全新的假设，上天入地，撒网寻找。随着新的观测结果不断证实，暗物质理论从一开始被斥为“旁门左道”，逐渐登堂入室，成为主流认知。

“悟空”善捉妖，这台望远镜，拥有世界最高探测精度的“火眼金睛”，正是在捉拿挑战牛顿和爱因斯坦的“妖魔鬼怪”。

那么，“妖魔鬼怪”究竟长什么样呢？

暗物质是什么样的？

根据估计，我们只能见到宇宙的5%，而不可见的暗物质大约占27%，暗能量大约占68%。

暗物质和暗能量的比重如此之大，可以说我们随着地球，穿行在暗物质和暗能量的海洋里。每秒钟就有上亿个暗物质粒子穿过我们的身体。

然而，人类对它们，实在知之甚少。

目前，暗物质只留下了很少的线索，留待科学家们侦探：

它们的寿命很长，宇宙演化初期就已存在；

在四种基本相互作用中，它们不参与强相互作用和电磁作用，否则，我们就会看到；

它们有质量，参与引力作用；

它们可能参与弱相互作用。

以上就是人类对暗物质的全部认知，可以说少得可怜。根据这些模糊的线索，科学家们给暗物质描绘过不同的“嫌疑犯画像”：轴子、惰性中微子、引力微子等等。

而目前最主流的答案，是WIMPs（弱相互作用大质量粒子）。这个模型假设，暗物质粒子内部具有弱相互作用，大质量则是相对氢原子而言更重。

暗物质怎么找？

要怎样找到看不见的WIMPs？科学家们真可谓是上天入地。

可行的方案有三种：加速器产生、空间探测、地下探测。

若能量足够高、流强足够大，粒子通过加速器对撞，理论上可以产生暗物质。如果WIMPs粒子具弱相互作用，且质量小于35TeV，就可以在世界上最强大的对撞机——欧洲核子中心的LHC上产生。

地下探测，则是为了减少宇宙射线的噪声，等待每天经过地球的不可见暗物质，能有一些撞飞可见的原子，以此找到暗物质。

上海交通大学、清华大学等团队就在四川锦屏山下2400米深处建立了地下实验室，守株待兔，甄别高纯锗和液氙原子被“撞飞”触发的光电信号，寻找暗物质经过的证据。

“悟空”采取的空间探测，是建立在这样一个假设的基础上：就像电子、夸克等粒子具有对应的反物质，WIMPs也应该有对应的反WIMPs。WIMPs和反粒子相互碰撞、湮灭，或者自身发生衰变时就会放出能量，而这些能量多以伽马射线和高能电子的可见形式释放出来。

银河系的中心，理论上是暗物质最稠密的地方。“悟空”本质上是一台望远镜，在500公里高的地球轨道上，守望遥远的银心，捕捉并甄别从那里放射的粒子。

“悟空”每天传送回500万个粒子信息，其中，有用的电子不到千分之一，而目标光子只有十万到百万分之一。最复杂的时候，需要汇集7万多路电子学信号通道，才能还原一个粒子的信息，就如7万个盲人摸象。

暗物质已经成为科学界最热门的“通缉犯”。所有上天入地的团队，包括国际空间站上，由诺奖得主丁肇中领导20余年的阿法磁谱仪，虽然都在不断找到新的迹象，但始终没有得到最终的证据。

所幸的是，与阿法磁谱仪等国际竞争者比起来，“悟空”具有3个世界之最的硬件优势：最高的能量分辨本领、最宽的观测能段、最强的高能粒子鉴别本领。“悟空”何时能捉妖成功，尚不得而知。但它的火眼金睛，每天都在一点点拓展人类认知宇宙的边界。

宇宙观的刷新

回到文章最初提到的比喻：暗物质和暗能量被许多人称为现代物理学的两朵乌云。这显然是对开尔文勋爵著名乌云比喻的致敬。

19世纪的最后一天，英国著名物理学家威廉·汤姆森（开尔文勋爵）发表了著名的新年致辞：物理大厦已经落成，所剩的只是一些修饰工作。只是，动力理论“美好而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了”。

当时这两朵乌云是“光以太”和“黑体辐射”。为了解决这两朵乌云，后世出现了两大学说：广义相对论和量子力学。

上海交通大学在锦屏地下实验室的暗物质项目PandaX负责人季向东曾告诉澎湃新闻，很多人会问，找到暗物质有什么用。而他想说的是，找到暗物质，是对人类宇宙观的颠覆性刷新。这样的刷新，自哥白尼提出“日心说”以来，也没有几次。

中国科学院院长白春礼在“悟空”的成果发布会上，同样以“乌云比喻”的例子回应“暗物质对人类社会有什么影响”：没有广义相对论，人类就不能发展航天技术；没有量子力学，半导体、量子通信和量子计算都无从谈起。可见物质只占到宇宙密度的不到5%，暗物质和暗能量，是我们认知宇宙的全新窗口。