暗物质的诱惑：科学的边界，还是新的起点？

暗物质如果真的是一种物质，这些物质到底有什么样的性质呢？我们该如何去探测暗物质呢？

要说清楚这两个问题，我们需要一些预备知识……

01 反物质无处不在，你也接触过？

以前曾经碰上有一脸稚气的小朋友问我，暗物质是不是反物质啊？大概现在科幻作品里面很喜欢提到反物质引擎。于是反物质这个词出现的概率也很高。孩子的好奇心总是很强烈的，于是这个词他就记住了。一般人也很容易把反物质和暗物质搞混淆。

我这里明确回答一下：暗物质和反物质不是一回事。反物质是反粒子构成的。对于反粒子，物理学家们并不陌生。最早被发现的反粒子就是正电子。正常的电子带负电，但是反电子带的是正电，除此之外这两种粒子看不出什么区别。

有史以来观测到的第一颗正电子的云室照片

大多数人都以为反物质只能出现在实验室中，不会出现在我们的日常生活中，其实并不是这样，我们每一个人都接触过反物质，甚至可以说，反物质无处不在。一个最常被用来引用的例子是香蕉，不知道为啥，物理学家们非常喜欢用香蕉来举例子。

可能是因为香蕉里面含有非常丰富的钾元素，极少量的钾原子带有放射性，100 克香蕉平均每秒钟会有 15 个钾原子发生衰变。发射出普通的带负电的电子，但是，这里大概有千分之一的概率会出现正电子。假如你手上握着一根香蕉，大约两小时之内就会有一个正电子打进你的手里。这个正电子要是碰到了普通的电子，就会发生正反粒子湮灭，变成了纯能量。当然，这种极其微小的能量，你是一点感觉也没有的。

02 四种基本的力

那么有的人仍然有疑问，为什么有些元素会有放射性呢？为什么会发生衰变呢？原因就在于一种叫弱相互作用的物理现象，正是弱相互导致了某些原子核是不稳定的。与弱相互作用相对应的还有一个强相互作用。一般来讲，强相互作用会把原子核捆在一起，形成各种各样的元素。而弱相互作用则会导致原子核不稳定，发生衰变。

放射性衰变是由于弱相互作用引起的，它将中子转变为质子、电子和电子反中微子

除了强弱相互作用，还有电磁相互作用让原子能结合成分子，分子能结合成物质；另外还有一种相互作用就是我们最熟悉的万有引力，它保证了我们能稳稳当当地站在地球上，保证了地球绕着太阳转。

这四种基本的相互作用，或者说这四种基本的力，协同配合，就构成了我们看得见摸得着的物质世界。

好了，预备知识讲完了。你可能想问，这和我们的主题暗物质有什么关系呢？答案是大有关系。

03 大力出奇迹？

回答暗物质到底是个什么东西这样一个高深的问题，让天文学家来回答不合适，这事儿还是交给粒子物理学家去寻找答案。粒子物理学家们可以双管齐下，一方面用大型计算机进行模拟计算，也可以调用大型设备去做非常精密的实验。

现在粒子物理学家们提出了很多描述暗物质的理论，最有希望的一种版本叫做 WIMPs 模型，全称就是弱相互作用重粒子，后面为了讲解方便，我就把它简称为“暗粒子模型”。

WIMPs 模型的艺术图

说白了，科学家们也在猜测，暗物质显然没有电磁相互作用，所以我们看不到它们。强相互作用恐怕也是没有的。但是，这种物质有引力，这是板上钉钉的事情。那么有没有弱相互作用呢？这成了了解暗物质的一个关键问题。

很多物理学家猜测，暗物质应该也有弱相互作用。暗粒子模型描述的暗物质粒子运行速度不快，但是质量很大，粒子的运动速度决定了物质的温度，因此这种猜测下的暗物质也被叫做冷暗物质。

根据暗粒子模型计算出来的暗物质数量和天文观测计算出来的数量比较相符，数据匹配特别好，而且也和宇宙大爆炸理论相符合。所以，物理学家们把它称为 WIMPs 奇迹。大家喜欢这个理论的另外一个理由是，这个理论是可以用大型粒子加速器或者其他的办法去探测的，能够用实验去检测是一个可靠理论必备的特征。

欧洲核子研究中心有着世界上最大的对撞机 LHC，在粒子对撞的过程中就有可能会生成暗粒子。但是目前 LHC 并没有探测到到什么特别的迹象。看来想依靠对撞机，在实验室里面造出暗物质粒子是很难的，即便偶尔造出来了，恐怕也很难捕捉。这条路暂时是走不通的，还需要去想别的办法。

大型强子对撞机 LHC 占据了一条周长近 27 公里的地下隧道

04 暗物质是一种中微子？

虽然暗粒子模型这种理论看上去很不错，但是它也有解决不掉的烦恼。把这个模型输入计算机，用大型超级计算机去模拟一种矮椭球星系的形成的过程，发现计算出来的数值偏大。冷暗物质会导致星系变成一锅粥，显得非常稠密。可是天文观测到的矮星系并没有那么稠密。这么来看，似乎冷暗物质又是不对的。不过，在科学研究中，如果一个理论在解释大多数现象时都表现得很好，但是却遇到了一个反例，这时候科学家们通常不愿意推翻整个理论，而是想着能不能打一个补丁来解决。

冷暗物质（CDM）

于是，科学家们设想用另外一种理论来解释矮椭球星系的问题。在现在人们已知的粒子之中，有一种中微子。这种粒子非常轻，而且也不容易和别的物质发生相互作用，所以这种粒子可以轻松地穿透整个地球，如入无人之境。

1970 年 11 月 13 日，首次使用氢气泡室探测中微子。一个中微子撞击氢原子中的质子（照片右侧三条轨迹）

过去大家以为中微子是没有质量的粒子。但是后来发现，它的质量不为 0，但是非常微小。中微子的质量起码比电子轻了上百万倍。现在只能大概估计出一个大致的数量级。中微子也有不同的种类，而且会变来变去，来回变身。因此中微子也是一个神秘莫测的家伙。

现在有些物理学家假设，暗物质粒子会不会是一种运动速度非常快的中微子呢？这也被称为“热暗物质”。他们把这个热暗物质模型拿到计算机里面去算，模拟矮椭球星系的形成过程，看看计算结果和实测数据是否匹配。结果发现这种热暗物质会导致星系变成一盘散沙，根本无法凝聚。看来，热暗物质的假说也遇到了很大的困难。

05 科学质疑 VS 盲目质疑

那么不冷不热的“温暗物质”行不行呢？经过大型计算机的模拟计算，不冷不热的“温暗物质”倒是可以形成矮椭球星系。但问题是，补了西墙，却拆了东墙，又有另外一些数据完全对不上了。

模拟热（左）、温（中）和冷（右）暗物质宇宙在高红移（早期）时的结构

所以，到现在为止，暗物质的身份到现在仍然是一个谜，我们依然缺乏一个很有效的理论模型去解释暗物质。暗物质似乎给粒子物理学家们设下了重重陷阱，你要想揭开暗物质神秘的面纱就不得不面对一个又一个的坑。这个坑你巧妙地化解了，说不定就掉进下一个坑里。你的理论对这个现象可以完美地解释，对那个现象则毫无办法。

有一小撮比较另类的科学家则在旁边窃笑不已，他们严守奥卡姆剃刀原理：“如无必要，勿增实体”，为什么一定要假想一种说不清道不明的暗物质呢？为什么只有添加了这种东西才能解释星系边缘恒星速度不正常的现象呢？难道你们就没想过对现有的引力理论下手吗？

这样的想法足够另类，到现在为止，以牛顿、爱因斯坦为首的科学家们历经数百年建立起来的理论大厦经受住了无数严苛实验的检验，但依然有一些科学家们怀着质疑精神。我必须告诉大家，科学地质疑与盲目质疑的区别在于，你不能只破坏不建设，为了质疑而质疑没有意义，你必须要提出一个更好的替代品。这些科学家就试图修正牛顿第二运动定律。

06 修正牛顿力学？

这一派科学家虽然他们人数很少，但是他们在物理学界依然很活跃。科学与宗教的区别在于，科学没有像圣经一样不可侵犯的教义，科学只讲逻辑和实证。无论是多数派还是少数派，任何科学理论必须经受全世界同行的评议，多数派科学家就认为那些修正牛顿动力学的努力有点像事后诸葛亮，他们纯粹是为了凑出一根曲线，强行给牛顿理论打了个补丁进去。

现在的情况是，主流科学界遵循久经考验的牛 - 爱理论体系，但是不得不引入一个目前还看不见摸不着的新物质。而作为少数派的理论不需要引入暗物质，保持了系统的简洁性，但又对久经考验的牛顿定律下手。总之，科学家们感到两难。

一般来讲，要提出一个新的理论来取代旧理论，需要满足几个要求：

1.新理论必须能够复制旧理论所有的成功之处；

2.新理论必须能够解释新的现象，否则也没有提出新理论的必要性；

3.最重要的是新理论必须有预言能力，并且能够在实验和观测上被验证。

修正牛顿动力学理论虽然支持的人很少，但是这个理论仍然是在科学方法论的框架之内提出来的，也可以用科学方法去验证。修正牛顿动力学在解释星系里恒星的运动速度异常这方面干得特别漂亮，但是其他方面都差强人意。不过，几十年来，这个理论并没有完全退出历史舞台。

哪知道，2018 年 3 月的一个消息，估计让支持修正牛顿动力学的人要哭晕在厕所里了。到底怎么回事？咱们下期再聊。