上篇文章里我們說(shuō)到，有一小撮比較另類的科學(xué)家們，不愿意假想一種說(shuō)不清道不明的“暗物質(zhì)”，而是試圖修正牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。這一派科學(xué)家的人數(shù)雖然很少，但在物理學(xué)界依然很活躍。這類修正牛頓動(dòng)力學(xué)的理論在解釋星系里恒星的運(yùn)動(dòng)速度異常這方面干得特別漂亮，但是其他方面都差強(qiáng)人意。不過(guò)，幾十年來(lái)，這個(gè)理論并沒(méi)有完全退出歷史舞臺(tái)。

哪知道，2018 年 3 月的一個(gè)消息，估計(jì)讓支持修正牛頓動(dòng)力學(xué)的人要哭暈在廁所里了。來(lái)龍去脈是這樣的：

01 致命的打擊

天文學(xué)家研究了一個(gè)不起眼的星系，編號(hào) NGC1052-DF2，后面我們簡(jiǎn)稱 1052 星系。測(cè)算下來(lái)，這個(gè)星系的引力質(zhì)量和光度學(xué)質(zhì)量大差不差，基本一樣多。這意味著什么呢？這意味著，如果按照暗物質(zhì)理論來(lái)解釋的話，一句話就可以了，這說(shuō)明該星系基本不含暗物質(zhì)。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的 NGC 1052-DF2

但是修正牛頓動(dòng)力學(xué)理論就遇到了大麻煩，因?yàn)檫@個(gè)理論否定了暗物質(zhì)的概念，而修改了最基礎(chǔ)的牛頓動(dòng)力學(xué)理論，目的是為了解釋為什么按照之前的觀測(cè)結(jié)果，所有的星系的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光度學(xué)質(zhì)量。如果這個(gè)理論是對(duì)的，那么就不能出現(xiàn)例外。但是，現(xiàn)在偏偏 1052 星系就是首個(gè)被天文觀測(cè)到的例外?？梢哉f(shuō)，這個(gè)理論遭到了致命的打擊。

NGC 1052-DF2的位置

相反，1052 這樣的星系用暗物質(zhì)理論非常好解釋，這個(gè)星系的引力質(zhì)量和光度學(xué)質(zhì)量大差不差，基本一樣多。那就等于說(shuō)這個(gè)星系暗物質(zhì)基本不存在，所以外圍恒星旋轉(zhuǎn)的速度符合現(xiàn)有的物理學(xué)法則。這等于是用“不存在證明了自己的存在”。

在歷史上，為了解釋觀測(cè)到的自然現(xiàn)象，幾乎都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)很多競(jìng)爭(zhēng)的理論，例如托勒密、第古、哥白尼的天體運(yùn)行模型，即便到了今天，在科學(xué)界依然存在與廣義相對(duì)論競(jìng)爭(zhēng)的理論。不過(guò)，科學(xué)與哲學(xué)、藝術(shù)、文學(xué)等其他學(xué)問(wèn)有一個(gè)最大的區(qū)別，其他這些學(xué)問(wèn)，往往講究的是求同存異，百花齊放，沒(méi)有絕對(duì)的正確與錯(cuò)誤。但是，科學(xué)理論的贏家只能有一個(gè)。幾乎每一個(gè)教科書上的公式都是經(jīng)過(guò)了激烈競(jìng)爭(zhēng)后的勝出者。

距離星系中心較遠(yuǎn)的物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度預(yù)計(jì)會(huì)比靠近星系中心的物質(zhì)低

目前看來(lái)，暗物質(zhì)理論更加可靠，能解釋的現(xiàn)象也更多。但是，問(wèn)題仍然困擾著大家，暗物質(zhì)究竟是什么？理論物理學(xué)家們?nèi)匀辉诓粩嗵岢瞿Ｐ停薷哪Ｐ?，然后?dòng)用計(jì)算機(jī)去計(jì)算。而另一些實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家則把注意力放到了其他地方。

02 怎么“抓到”暗物質(zhì)？

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在思考如何能探測(cè)到暗物質(zhì)粒子。大家或許有疑問(wèn)，現(xiàn)在連暗物質(zhì)粒子是什么，有哪些性質(zhì)都不知道，那么該如何去找呢？似乎一點(diǎn)可靠的線索都沒(méi)有。

當(dāng)然，即便是猜想也要有個(gè)邏輯的起點(diǎn)。目前科學(xué)家們是以 WIMPs 理論為基礎(chǔ)的。上次我們講過(guò)，這個(gè)理論把暗物質(zhì)粒子描述成一種具有引力，有弱相互作用的非常重的粒子?？茖W(xué)家們猜測(cè)，WIMPs 粒子，自己就是自己的反粒子。假如兩個(gè)這樣的粒子發(fā)生碰撞就會(huì)發(fā)生湮滅現(xiàn)象，那么這也就為我們探測(cè)暗物質(zhì)粒子提供了可能性。

現(xiàn)在探測(cè)宇宙里面各種粒子的太空探測(cè)器有那么幾個(gè)，一個(gè)是裝在國(guó)際空間站的 Alpha 磁譜儀，還有一個(gè)是帕梅拉探測(cè)器。還有費(fèi)米衛(wèi)星和我國(guó)發(fā)射的悟空號(hào)探測(cè)器。幾個(gè)探測(cè)器的數(shù)據(jù)都可以相互對(duì)照印證。

Alpha 磁譜儀

名氣最大的是裝在國(guó)際空間站上的 Alpha 磁譜儀，領(lǐng)銜擔(dān)綱的科學(xué)家是著名的諾獎(jiǎng)得主丁肇中。這個(gè)探測(cè)器是國(guó)際協(xié)作的產(chǎn)物，其中高強(qiáng)磁鐵是我國(guó)提供的。中國(guó)的高強(qiáng)磁鐵是全世界最好的，F(xiàn)35 戰(zhàn)斗機(jī)上也在用。

丁肇中在世界科學(xué)界的威望極高。本來(lái) NASA 的航天飛機(jī)需要全部退役，但是丁肇中的面子大，硬是說(shuō)服了 NASA 在 2011 年再執(zhí)行一次航天飛機(jī)任務(wù)，把 Alpha 磁譜儀送進(jìn)國(guó)際空間站。

年輕時(shí)的丁肇中，左一（1976 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，祖籍中國(guó)山東）

這個(gè)探測(cè)器無(wú)法作為一個(gè)獨(dú)立的衛(wèi)星運(yùn)行，因?yàn)樘?yáng)能電池板供電不夠用，只有國(guó)際空間站太陽(yáng)能板面積夠大，能提供足夠的電力。只有航天飛機(jī)有能力把這么重的探測(cè)器扛到國(guó)際空間站上。沒(méi)辦法，退休前航天飛機(jī)只好再加班多飛一趟。

根據(jù)理論猜想，暗物質(zhì)粒子在太空里相互湮滅會(huì)釋放出反電子和反質(zhì)子。雖然我們看不到暗物質(zhì)粒子，但是我們能夠看到他們留下的腳印。Alpha 磁譜儀主要關(guān)注的是反電子，經(jīng)過(guò)一年多的觀測(cè)，它收集了 680 多萬(wàn)個(gè)電子和反電子，其中反電子有 40 萬(wàn)個(gè)，這些粒子的能量都非常大。

國(guó)際空間站上的 Alpha 磁譜儀（左上：AMS）

經(jīng)過(guò)和帕梅拉衛(wèi)星以及費(fèi)米衛(wèi)星數(shù)據(jù)的比對(duì)，大家認(rèn)為，在 10G 電子伏能量段以上的反電子多得不正常，可能是暗物質(zhì)粒子互相湮滅留下的腳印。統(tǒng)計(jì)曲線上明顯出現(xiàn)了一個(gè)大鼓包。這就是實(shí)測(cè)數(shù)值與理論預(yù)期的偏差。

03 悟空號(hào)數(shù)據(jù)的特殊峰值

就在 2017 年年底，我國(guó)的悟空號(hào)探測(cè)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也發(fā)布了。悟空號(hào)的能量探測(cè)范圍比費(fèi)米衛(wèi)星和 Alpha 磁譜儀都要寬得多。在更高的 1.4T 電子伏能量段上，發(fā)現(xiàn)了特殊的峰值。這是非常令人驚奇的事情。

悟空號(hào)

這么描述大家可能還是不太懂。沒(méi)關(guān)系，我們還是用打比方的方式來(lái)講，比如說(shuō)小鎮(zhèn)里家家戶戶都是獨(dú)生子女家庭，周末舉辦親子活動(dòng)，爸爸媽媽帶著孩子都在海邊沙灘上搞聚會(huì)。我們根據(jù)人口結(jié)構(gòu)可以預(yù)計(jì)，成年人的腳印是孩子的兩倍。爸爸媽媽帶著一個(gè)孩子嘛。成年人的腳都差不多大小，孩子的腳印有大有小，應(yīng)該是平均分布的。從兩三歲的孩子到十四、五歲的中學(xué)生都有。這就是我們根據(jù)已知的情況推斷出來(lái)的一個(gè)預(yù)期。

可是我們真的到現(xiàn)場(chǎng)去數(shù)一下腳印，發(fā)現(xiàn)完全超出了我們的預(yù)期?，F(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了一大串巨大的腳印。這種腳印不像是小鎮(zhèn)上任何人的。那么只能判斷，一定是有一大群大個(gè)子來(lái)到過(guò)現(xiàn)場(chǎng)，腳印就是他們留下的?？墒?，聚會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有人看到過(guò)有奇怪的人出現(xiàn)。那么我們只能判斷，他們是隱身人，也就是說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)存在一些看不到的大個(gè)子隱身人，但是他們留下了自己的腳印。這種大個(gè)子的隱身人就好比是暗物質(zhì)粒子。

按照科學(xué)家們一貫的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，他們表示，多出來(lái)的這些高能反電子疑似是來(lái)自于暗物質(zhì)。不過(guò)，這種探測(cè)方式依然只能算是間接證據(jù)。

那么能不能直接抓到這些暗物質(zhì)粒子呢？畢竟暗物質(zhì)應(yīng)該就在我們的身邊。辦法也是有的。

04 隧道中的奇跡？

在意大利的大薩索山的一個(gè)地下隧道里面，有一群科學(xué)家正守在探測(cè)器的旁邊等著暗物質(zhì)粒子撞上門來(lái)，這有點(diǎn)像守株待兔。我國(guó)在四川錦屏山的地下隧道里，也有兩個(gè)大型探測(cè)裝置在蹲坑守候。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室位于四川省涼山州錦屏水電站錦屏山隧道中部埋深2400米處

上海交大主導(dǎo)的 PandaX 計(jì)劃動(dòng)用了一大罐液態(tài)氙，科學(xué)家們預(yù)測(cè)，假如真的有暗物質(zhì)粒子撞上來(lái)，撞到了氙元素的原子核上，就會(huì)發(fā)出一個(gè)閃光，超高靈敏的光電探測(cè)器就能探測(cè)到這個(gè)閃光。隔壁清華大學(xué)主導(dǎo)的暗物質(zhì)探測(cè)器則采用了超低溫的鍺晶體，原理也差不多，都是等著暗物質(zhì)粒子撞到鍺元素的原子核。意大利大薩索山地下隧道里的暗物質(zhì)探測(cè)器用的是碘化鈉晶體。

上海交大 PandaX 計(jì)劃

那為什么探測(cè)暗物質(zhì)粒子要跑到深深的隧道中或者礦井中呢？這是為了屏蔽外界亂七八糟的粒子。因?yàn)槟艽┩干锨缀竦膸r石來(lái)到地下實(shí)驗(yàn)室的粒子，也就神秘莫測(cè)的暗物質(zhì)粒子和鬼鬼祟祟的中微子了。所以中微子的實(shí)驗(yàn)，多半也是在地下深坑里做的。

意大利國(guó)家核物理研究所(INFN)下屬的格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

前一陣子意大利人出來(lái)一些消息，地下探測(cè)器也已經(jīng)有些眉目了。經(jīng)過(guò) 6 年的數(shù)據(jù)積累，他們發(fā)現(xiàn)探測(cè)到的信號(hào)與季節(jié)有關(guān)系。季節(jié)變化來(lái)自于地球繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。難道太陽(yáng)系里的暗物質(zhì)分布是不均勻的？地球轉(zhuǎn)到軌道這一頭濃度大一些，轉(zhuǎn)到軌道那一頭濃度小一些？可是還是有不少科學(xué)家對(duì)他們提出了質(zhì)疑。畢竟這樣的關(guān)聯(lián)未免有些牽強(qiáng)了，證據(jù)還嚴(yán)重不足。

總之，到現(xiàn)在為止，我們只知道暗物質(zhì)真的是一種物質(zhì)，它具有引力作用，可能具有弱相互作用。尋找暗物質(zhì)就像一次全世界協(xié)作的大規(guī)模的犯罪現(xiàn)場(chǎng)勘查，每個(gè)團(tuán)隊(duì)各領(lǐng)取一塊區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)的排查，等到把所有的區(qū)域都排查完了，罪犯的蛛絲馬跡一定是能被找到的。只是，到現(xiàn)在為止，暗物質(zhì)仍然是一個(gè)世界未解之謎。

不過(guò)，我有信心能在有生之年看到謎底。