你如果在數(shù)字1和2之間到處找，那你永遠(yuǎn)都找不到3。

假設(shè)你有個想法：我們的物理現(xiàn)實(shí)可能與現(xiàn)在概念化的物理現(xiàn)實(shí)有所不同。你沒準(zhǔn)認(rèn)為存在額外的粒子或相互作用，而這可能會解決如今自然科學(xué)面臨的一些大難題。那么，你會怎么做呢？你建立一個假設(shè)，發(fā)展它，然后試著梳理出其中可觀察、可測量的結(jié)果是什么。

其中一些結(jié)果是與模型無關(guān)的，這就意味著無論一個特定模型正確與否，顯著的特征都會出現(xiàn)。另一些結(jié)果則有著強(qiáng)模型相關(guān)性，顯示出一些在某些模型中出現(xiàn)而在其他模型中沒有出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)性或觀察性特征。當(dāng)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)空白時，它只測試模型相關(guān)的假設(shè)，沒有測試模型無關(guān)的假設(shè)。這就是為什么這與暗物質(zhì)的存在毫無關(guān)系。 ? ? ? ?

? ? ?

強(qiáng)子對撞機(jī) 圖源：zynews

當(dāng)你使任意兩個粒子碰撞在一起時，你可以探測碰撞粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果其中一個不是基本粒子，而是復(fù)合粒子，則可以揭示它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這里設(shè)計(jì)了一個測量暗物質(zhì)/核子散射信號的實(shí)驗(yàn)。然而，有許多平凡的背景貢獻(xiàn)可以給出類似的結(jié)果。這種特殊的信號將在鍺、液態(tài)氙和液態(tài)氬探測器中顯示出來。(暗物質(zhì)概述:對撞機(jī)，直接和間接探測搜索——奎羅茲，法利納爾多S.?ARXIV:1605.08788)

你不能因?yàn)橐粋€團(tuán)隊(duì)嘗試了不可能的事情，希望著大自然能合作，就對他們生氣。一些最著名的發(fā)現(xiàn)僅僅是由于偶然，所以如果我們能在低成本的情況下進(jìn)行測試，同時得到高得離譜的回報，我們就會去嘗試。信不信由你，正是這種思維方式推動了對暗物質(zhì)的直接探索。 ? ? ? ?

? ? ?

圖源：ifeng

然而，為了了解我們是如何找到暗物質(zhì)的，你必須首先了解我們所知道的全部信息。這是模型無關(guān)的證據(jù)，我們必須引導(dǎo)我們自己走向直接檢測的可能性。當(dāng)然，我們還沒有直接發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)與另一個粒子的相互作用，但這沒關(guān)系。間接證據(jù)都表明它一定是真實(shí)存在的。

現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子和反粒子都已被直接探測到，最后的“抵抗者”希格斯玻色子在本世紀(jì)初也由大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了。這些粒子都可以在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的能量下產(chǎn)生，粒子的質(zhì)量導(dǎo)致了基本常數(shù)，這些基本常數(shù)對于完全描述粒子是非常必要的。由基于標(biāo)準(zhǔn)模型的量子場論物理學(xué)可以很好的描述這些粒子，但它們不能像暗物質(zhì)那樣描述一切。(E.?SIEGEL?/?BEYOND?THE?GALAXY) ? ? ? ?

? ? ?

2012年，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)27公里長的圓形隧道中，粒子相互碰撞產(chǎn)生了希格斯玻色子

圖源：quantamagazine

一切都始于一個想法的萌芽。我們可以從無可爭議的基礎(chǔ)開始:宇宙由所有的質(zhì)子、中子和電子組成，這些粒子構(gòu)成了我們的身體、我們的星球和所有我們熟悉的物質(zhì)，還有一些光子(光、輻射等)，用于更好的測量。

質(zhì)子和中子可以被分解成更基本的粒子——夸克和膠子——和其他標(biāo)準(zhǔn)模型粒子一起，構(gòu)成所有宇宙中已知的物質(zhì)。關(guān)于暗物質(zhì)的主要觀點(diǎn)是，除了這些已知粒子之外，還有其他一些物質(zhì)對宇宙中的物質(zhì)總量起著顯著作用。這是一個革命性的假設(shè)，也可以被視為是一個非同尋常的飛躍。

這個概念可能會讓你忍不住問，“我們?yōu)槭裁匆脒@樣的事情?”

這個動力來自于觀察宇宙本身?？茖W(xué)教會了我們很多關(guān)于遙遠(yuǎn)宇宙的知識，其中很多都是毫無爭議的。例如，我們知道恒星是如何運(yùn)作的，我們對引力是如何運(yùn)作的有驚人的理解。如果我們觀察星系、星系團(tuán)直到宇宙中最大的結(jié)構(gòu)……這里有兩個可以弄清的問題。

1.這些結(jié)構(gòu)中每一級的質(zhì)量有多少。我們觀察這些物體的運(yùn)動，我們觀察控制繞軌道運(yùn)行的物體的引力規(guī)則：是否有束縛，它如何旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如何形成，等等…最終我們得到一個可以確定那里物質(zhì)的多少的數(shù)字。

2.包含在這些結(jié)構(gòu)中的恒星有多少質(zhì)量。我們知道恒星的“規(guī)則”——只要我們能測量出這些恒星發(fā)出的星光，我們就能知道恒星的質(zhì)量是多少。 ? ? ? ?

? ? ?

圖片來源：imufu

位于后發(fā)星系團(tuán)中心的兩個明亮的大星系NGC?4889和稍小的NGC?4874，每一個的規(guī)模都超過100萬光年。但在外圍的星系旋轉(zhuǎn)的很快，這表明整個星系團(tuán)中存在著一個巨大的暗物質(zhì)光環(huán)。單憑普通物質(zhì)的質(zhì)量不足以解釋這種束縛結(jié)構(gòu)。（ADAM?BLOCK/萊蒙山天空中心/亞利桑那大學(xué)）
這兩個數(shù)值不匹配，并且與我們評估出的數(shù)值之間的差異在量級上的是驚人的：它們差了大約50倍。在宇宙中，除了理所應(yīng)當(dāng)構(gòu)成了恒星的絕大多數(shù)的物質(zhì)之外，肯定還有別的東西。這適用于各個星系內(nèi)大小不一的恒星，一直到宇宙中最大的星系團(tuán)、星系，除此之外，整個宇宙網(wǎng)絡(luò)都是如此。

這個暗示很明顯，表明除了恒星之外還有別的東西在運(yùn)行，但你可能不相信這東西會是新的物質(zhì)。如果這就是我們只找出了這些，科學(xué)家也同樣不會相信！幸運(yùn)的是，有大量的觀測數(shù)據(jù)，而當(dāng)我們把它們放在一起考慮——只有暗物質(zhì)假說才能解釋這些問題。 ? ? ? ?

? ? ?

圖片來源：zhishi.xkyn

在紅圈中顯示了大爆炸核聚變預(yù)測的氦-4，氘，氦-3和鋰-7的豐度。宇宙中有75-76%的氫，24-25%的氦，少量的氘和氦-3，以及微量的鋰。在氚和鈹衰變之后，這就是我們所剩下的物質(zhì)，直到恒星形成之前，這些物質(zhì)都沒有改變。宇宙中只有大約六分之一的物質(zhì)可以以這種通常的物質(zhì)形式(重子的，或類似原子的)存在。(NASA,?WMAP科學(xué)團(tuán)隊(duì)和GARY?STEIGMAN)

在推斷宇宙最早期物理定律時，我們發(fā)現(xiàn)有一段時間宇宙太熱以至于中性原子無法形成，甚至連原子核也無法形成！當(dāng)它們終于能在不被立刻炸開的情況下形成時，所有最輕的原子核(包括氫和氦的不同同位素)便形成了。

大爆炸后宇宙中第一批元素——由于大爆炸核聚變而形成——告訴了我們宇宙中有多少“正常物質(zhì)”，并且這個誤差非常非常小。盡管存在的物質(zhì)顯然多于恒星周圍的物質(zhì)，但這只是我們通過引力效應(yīng)所知道的全部物質(zhì)的六分之一。不僅是恒星，而且一般的普通物質(zhì)都是不夠的。 ? ? ? ?

? ? ?

圖片來源：wowodx

宇宙微波背景的波動在20世紀(jì)90年代首次被宇宙背景探測器（COBE）精確地測量出來，然后WMAP在21世紀(jì)和10年代被普朗克(上圖)更精確地測量出來。這幅圖像編碼了關(guān)于早期宇宙的大量信息，包括它的組成、年齡和歷史。這些波動在量級上只有幾十到幾百個微開爾文，但明確地表明正常物質(zhì)和暗物質(zhì)以1:5的比例存在。(歐洲航天局和普朗克合作組織)

宙中另一個早期信號為我們提供了暗物質(zhì)存在的額外證據(jù):當(dāng)中性原子形成、大爆炸的余輝終于可以暢通無阻地在宇宙中傳播時，它非常接近于均勻背景的輻射，只比絕對零度高幾度。但是當(dāng)我們觀察~微開爾文刻度和小角度(<1度)刻度的溫度時，我們發(fā)現(xiàn)它根本就不是均勻的。

? ? ? ?

? ? ?

圖源：ifeng

宇宙微波背景的波動特別有趣。它們告訴我們，宇宙中正常物質(zhì)(質(zhì)子+中子+電子)的比例，輻射的比例，以及非正常物質(zhì)(或者說是暗物質(zhì))的比例，以及其他物質(zhì)。比例又是相同的：暗物質(zhì)大約占宇宙所有物質(zhì)的六分之五。

其次，在大尺度上觀察重子聲振蕩的大小，表明宇宙主要是由暗物質(zhì)組成的，只有一小部分的正常物質(zhì)造成了上圖中的這些“擺動”。(邁克爾·庫倫、馬克·沃格爾斯伯格和勞爾·安古洛)
最后，在宏大的宇宙網(wǎng)絡(luò)中有著無可爭議的證據(jù)。當(dāng)我們從最大的尺度來看宇宙時，我們知道，在大爆炸的背景下，萬有引力是使物質(zhì)聚集在一起的原因。根據(jù)最初密度過高和過低的波動，引力(以及不同類型物質(zhì)之間的相互作用和輻射)決定了我們將在整個宇宙歷史中看到什么。

這很重要，因?yàn)槲覀儾粌H可以看到正常物質(zhì)與暗物質(zhì)在上圖中波動的大小上的比率，而且我們可以知道暗物質(zhì)是冷的，或者在宇宙非常年輕的時候以一定的速度運(yùn)動。這些信息讓我們可以做出意義不凡又精確的理論預(yù)測。

? ? ? ?

? ? ?

圖片來源：ntu

根據(jù)模型和模擬，所有星系都應(yīng)該鑲嵌在暗物質(zhì)暈中，其密度在星系中心達(dá)到峰值。在足夠長的時間尺度上，也許是10億年，一個來自暗物質(zhì)暈邊緣的暗物質(zhì)粒子將形成一個軌道。氣體、反饋、恒星形成、超新星和輻射的影響使這個環(huán)境變得復(fù)雜，使得宇宙暗物質(zhì)的預(yù)測變得極其困難。(NASA,?ESA,?T.?BROWN,?J.?TUMLINSON?(STSCI))

總之，這告訴我們在每個星系和星系團(tuán)的周圍，應(yīng)該都有一個非常大的暗物質(zhì)擴(kuò)散暈。這種暗物質(zhì)實(shí)際上應(yīng)該不會與正常物質(zhì)發(fā)生碰撞作用；上限表明，暗物質(zhì)粒子需要數(shù)光年才能有50/50的機(jī)會相互作用一次。

但是，每一秒都應(yīng)該有大量的暗物質(zhì)粒子穿過地球、你還有我，而未被發(fā)現(xiàn)。此外，暗物質(zhì)也不應(yīng)該像普通物質(zhì)那樣與自身發(fā)生碰撞或相互作用。至少可以這樣說，這使得直接檢測變得困難。但值得慶幸的是，有一些間接的方法可以探測暗物質(zhì)的存在。首先是研究所謂的引力透鏡效應(yīng)。

當(dāng)星系團(tuán)的背景中有明亮、巨大的星系時，它們的光會被拉伸、放大和扭曲，這是由于一種被稱為“引力透鏡”的廣義相對論效應(yīng)。感謝:DAVIDE?DE?MARTIN?JAMES?LONG?(ESA?/?HUBBLE)NASA,?ESA,?J.?LOTZ和HFF團(tuán)隊(duì)，STSCI） ? ? ? ?

? ? ?

引力透鏡模擬的黑洞 圖源：Wikipedia

通過觀察背景光是如何因干擾質(zhì)量的存在而扭曲的(僅根據(jù)廣義相對論定律)，我們可以計(jì)算出那個物體的質(zhì)量。又一次，計(jì)算結(jié)果告訴我們，這一質(zhì)量肯定是所有類型的正常(基于標(biāo)準(zhǔn)模型的)物質(zhì)的六倍。

里面一定有暗物質(zhì)，其數(shù)量與其他觀測結(jié)果一致。但偶爾，宇宙是仁慈的，它會給我們兩個星系團(tuán)或星系團(tuán)互相碰撞。而當(dāng)我們研究這些碰撞的星系團(tuán)時，我們學(xué)到一些更深刻的東西。

四個碰撞的星系團(tuán)，顯示出X射線（粉紅色）和引力（藍(lán)色）之間的分離，這表明暗物質(zhì)是存在的。在大規(guī)模上，冷暗物質(zhì)是必要的，并且沒有替代品。 （X射線：NASA / CXC / UVIC。/ A.MAHDAVI等。光學(xué)/鏡頭：CFHT / UVIC./ A.MAHDAVI ET AL.（頂部左）； X射線：NASA / CXC / UCDAVIS / W.DAWSON ET AL .;光學(xué)：NASA / STSCI / UCDAVIS / W.DAWSON ET AL。（右上）; ESA / XMM-NEWTON / F.GASTALDELLO（INAF / IASF，意大利米蘭）/ CFHTLS（底部左）; X射線：NASA，ESA，CXC，M.BRADAC（加利福尼亞大學(xué)，圣塔芭芭拉大學(xué)）和S.Allen（斯坦福大學(xué)）（底部右））

暗物質(zhì)確實(shí)會彼此通過，并占據(jù)了絕大多數(shù)。以氣體形式存在的正常物質(zhì)會產(chǎn)生沖擊(上圖為x射線/粉色)，而且只占總質(zhì)量的15%左右。換句話說，大約五分之六的質(zhì)量是暗物質(zhì)！通過觀察碰撞的星系團(tuán)，監(jiān)測可觀測物質(zhì)和總引力質(zhì)量如何運(yùn)動，我們可以為暗物質(zhì)的存在提出天體物理學(xué)的經(jīng)驗(yàn)性證據(jù)。就算對萬有引力定律不做修改也可以解釋為什么：

對于萬有引力定律沒有任何修改可以解釋為什么:

兩個星團(tuán)，在碰撞前，它們各自的質(zhì)量和氣體會在一起，

但碰撞后，它們的質(zhì)量和氣體會分離。

然而，盡管所有這些模型無關(guān)的證據(jù)，我們?nèi)匀幌Ｍ苯犹綔y暗物質(zhì)。正是這一步——而且只有這一步——我們沒有實(shí)現(xiàn)。 ? ? ? ?

? ? ?

圖片來源：UZH

與自旋無關(guān)的大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）/核子橫截面在XENON1T實(shí)驗(yàn)中得到了最嚴(yán)格的限制，XENON1T實(shí)驗(yàn)相較于之前的所有實(shí)驗(yàn)都有改進(jìn)，甚至包括勒克斯實(shí)驗(yàn)。雖然許多人可能會對XENON1T實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)感到失望，但我們不能忘記XENON1T對其他物理過程敏感。(E.?APRILE等，PHYS。啟。121,?111302?(2018))

不幸的是，我們不知道標(biāo)準(zhǔn)模型之外還有什么。我們從未發(fā)現(xiàn)過任何一個粒子沒有標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分性質(zhì)，但我們知道，肯定有比我們目前發(fā)現(xiàn)的更多的粒子。就暗物質(zhì)而言，我們不知道暗物質(zhì)粒子(或粒子們)的性質(zhì)應(yīng)該是什么，應(yīng)該是什么樣子，或者如何找到它。我們甚至不知道它是一個東西，還是由各種不同的粒子組成。

我們所能做的就是在某一橫截面上尋找相互作用，但不能再繼續(xù)了。我們可以找到能量反沖到一定的最小能量，但同樣不能再繼續(xù)了。我們可以尋找光子或中微子的轉(zhuǎn)換，可是所有這些機(jī)制都有局限性。在某些情況下，背景效應(yīng)——自然放射性、宇宙中子、太陽/宇宙中微子等等——使它不可能提取一個低于一定閾值的信號。

其中一項(xiàng)旨在利用暗物質(zhì)和電磁之間假想相互作用的實(shí)驗(yàn)的低溫設(shè)置，聚焦于一個低質(zhì)量的候選者:軸子。然而，如果暗物質(zhì)不具備目前實(shí)驗(yàn)所測試的特定特性，那么我們想象中的任何物質(zhì)都無法直接看到它。(軸子（AXION）暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)(ADMX)?/?LLNL的FLICKR) ? ? ? ?

? ? ?

圖源：iop.cas ADMX實(shí)驗(yàn)的軸子暈望遠(yuǎn)鏡示意圖

到目前為止，與暗物質(zhì)有關(guān)的直接探測工作都一無所獲。我們觀察到的相互作用信號不需要暗物質(zhì)來解釋，也不符合我們宇宙中僅標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子。直接探測可能會阻礙或限制特定的暗物質(zhì)粒子或猜想，但不會影響大量的間接的、天體物理證據(jù)，這些證據(jù)使得暗物質(zhì)的存在成為唯一可行的解釋。

許多人孜孜不倦地尋找著替代方案，但除非他們歪曲了有關(guān)暗物質(zhì)的事實(shí)(有些人確實(shí)是這樣做的)，否則他們有大量的證據(jù)需要解釋。在尋找宇宙中巨大的未知時，我們可能會很幸運(yùn)，這就是我們嘗試的原因。但是沒有證據(jù)并不代表暗物質(zhì)不存在。當(dāng)談到暗物質(zhì)時，不要讓自己被愚弄了。
作者: Ethan?Siegel

FY: 光粒

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處