薩賓·霍森費(fèi)爾德

宇宙中的大部分物質(zhì)都是看不見的，從我們身邊經(jīng)過卻不留痕跡，即使是科學(xué)家制造的用來(lái)捕捉它們的檢測(cè)儀也無(wú)能為力。但是暗物質(zhì)或許并不像大多數(shù)理論學(xué)家設(shè)想的那樣由看不見的粒子云構(gòu)成，相反，它可能更奇怪，是由數(shù)十億年前的超流體凝聚而成的流體渦，是我們今天觀察到的星系的發(fā)端。

這種新提法對(duì)宇宙學(xué)和物理學(xué)都有巨大的啟示。超流體暗物質(zhì)理論能夠克服粒子云帶來(lái)的許多理論問題。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直無(wú)法確定構(gòu)成粒子云的單一組成成分是什么，而新理論解釋了為什么會(huì)這樣。另外，這一新理論提供了向前推進(jìn)的具體科學(xué)道路，提出了可能很快就可以驗(yàn)證的明確的科學(xué)預(yù)測(cè)。

同時(shí)，超流體暗物質(zhì)理論具有重要的概念意義。它指出，我們認(rèn)識(shí)的一般宇宙圖景，即大量單個(gè)粒子通過力的相互作用結(jié)合在一起形成的整體——幾乎就像樂高玩具模型那樣——忽略了許多自然界的復(fù)雜度。宇宙中的大部分物質(zhì)或許與構(gòu)成你我身體的物質(zhì)完全不同：不是由原子組成的，甚至不是由我們通常認(rèn)識(shí)意義上的粒子構(gòu)成的，而是一個(gè)廣闊伸展的連續(xù)整體。

賓夕法尼亞大學(xué)的理論物理學(xué)教授賈斯丁·庫(kù)里說(shuō)：“很多年以來(lái)，人們一直有一種簡(jiǎn)單的暗物質(zhì)模型，即不發(fā)光、無(wú)碰撞的粒子。但是在最近20年里，觀測(cè)手段和計(jì)算機(jī)模擬水平都有所提高，這種簡(jiǎn)單模型在星系尺度上會(huì)有一些力不從心?！?/p>

無(wú)碰撞的暗物質(zhì)顆粒不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上的相互作用，因此不會(huì)穩(wěn)定下來(lái)形成等同于恒星和行星的致密結(jié)構(gòu)。由于暗物質(zhì)不發(fā)光，它存在的證據(jù)來(lái)自引力效應(yīng)：星系的形成、旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)似乎受到了看不見的物質(zhì)的影響。在非常大的尺度上，無(wú)碰撞的暗物質(zhì)與天文觀測(cè)很好地吻合。

威爾遜山天文觀測(cè)臺(tái)

然而在較小的尺度上，這個(gè)受歡迎并且使用廣泛的暗物質(zhì)模型預(yù)測(cè)在星系中心會(huì)有更多物質(zhì)凝結(jié)，比天文學(xué)家實(shí)際觀測(cè)到的多，這個(gè)問題叫作“尖點(diǎn)問題”。該模型同時(shí)預(yù)測(cè)了過多的銀河系衛(wèi)星星系，并且無(wú)法解釋真正存在的那些衛(wèi)星星系為什么幾乎位于同一個(gè)平面。最后，無(wú)碰撞暗物質(zhì)無(wú)法說(shuō)明為什么旋轉(zhuǎn)星系的亮度與其旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)。這個(gè)簡(jiǎn)單的模型，看來(lái)是過于簡(jiǎn)單了。

對(duì)于這些缺陷，一個(gè)可能的解釋是物理學(xué)家遺漏了星系形成中某個(gè)重要的天文物理學(xué)過程。但是庫(kù)里并不這么認(rèn)為。對(duì)他來(lái)說(shuō)，這些缺陷暗示了更深層的東西。這不僅僅在于無(wú)碰撞的冷暗物質(zhì)模型無(wú)法跟觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合，還在于另一個(gè)完全不同的模型對(duì)這些觀測(cè)結(jié)果的解釋比標(biāo)準(zhǔn)模型更好。這個(gè)不同的模型沒有引入全新的未知粒子，而是假定暗物質(zhì)的證據(jù)來(lái)自修正的引力。對(duì)于引力在數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)光年的距離上如何作用，我們沒有直接測(cè)量的方法。在地球上無(wú)法檢測(cè)到的細(xì)微效果，可能在整個(gè)星系的尺度上強(qiáng)大到造成重要影響。

引力修正在某些情況下獲得了令人驚嘆的成功，在另一些地方卻面臨問題。一方面，它能夠幾乎毫不費(fèi)力地與星系旋轉(zhuǎn)相吻合，并解釋為什么星系的亮度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系看上去都很類似。另一方面，修正的引力在解釋比典型星系大得多或者小得多的尺度上的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，出現(xiàn)了困難。在這些尺度上，冷暗物質(zhì)模型的解釋力更強(qiáng)。

WIMPS

想要對(duì)愛因斯坦的引力理論做出修改極其困難，很難做到改動(dòng)時(shí)不把整個(gè)理論徹底搞砸，所以大多數(shù)物理學(xué)家選擇了更安全的暗物質(zhì)粒子理論。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，提出新粒子是解決問題的常用方法，相關(guān)的數(shù)學(xué)已被熟知。但是庫(kù)里不想對(duì)任何一個(gè)理論有偏頗，他想結(jié)合兩個(gè)理論的優(yōu)點(diǎn)，做出與真實(shí)宇宙最吻合的解釋。

“習(xí)慣上，人們用修正引力來(lái)解決星系尺度上的問題，作為暗物質(zhì)理論的替代?！睅?kù)里說(shuō)，“由于某些原因，或許是社會(huì)學(xué)上的原因，這兩種理論被認(rèn)為是相互排斥的：你或者屬于修正引力陣營(yíng)，或者屬于暗物質(zhì)粒子陣營(yíng)。但為什么不能兩者都對(duì)呢？當(dāng)然，根據(jù)奧卡姆剃刀原則，這不那么令人信服。因此，我們采取的途徑是，修正引力和暗物質(zhì)粒子屬于同一個(gè)理論的兩個(gè)方面?！?/p>

暗物質(zhì)的證據(jù)自其80多年前被瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基發(fā)現(xiàn)起一直在累積。1933年，茲威基看中了加利福尼亞威爾遜山天文觀測(cè)臺(tái)的254厘米胡克望遠(yuǎn)鏡，并將其對(duì)準(zhǔn)后發(fā)星系團(tuán)。后發(fā)星系團(tuán)是由1000個(gè)以上的星系靠自身引力場(chǎng)牽引聚在一起的群體，該群體中各組分的速度——此處指各個(gè)星系——基于被束縛的總質(zhì)量。茲威基發(fā)現(xiàn)，這些星系移動(dòng)的速度比可見質(zhì)量加起來(lái)能夠產(chǎn)生的快很多，因此他推測(cè)星系團(tuán)里一定含有看不見的物質(zhì)。他把這些物質(zhì)稱為Dunkle Materie，也就是德文的“暗物質(zhì)”。

玻色-愛因斯坦冷凝體

物理學(xué)家把這個(gè)結(jié)果看成了特例。但是從20世紀(jì)60年代美國(guó)天文學(xué)家薇拉·魯賓研究螺旋星系的旋轉(zhuǎn)開始，茲威基的觀測(cè)結(jié)果就已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象了。遠(yuǎn)離星系中心軌道上的恒星速度取決于系統(tǒng)的總體質(zhì)量（也就是萬(wàn)有引力），即星系的質(zhì)量。魯賓的測(cè)量結(jié)果表明有幾十個(gè)星系的旋轉(zhuǎn)都比她期待的可見物質(zhì)造成的速度快很多。魯賓的觀測(cè)將暗物質(zhì)帶到了鎂光燈下，占據(jù)了物理學(xué)家未解決問題列表的首位。

直接觀測(cè)不但沒有解決謎團(tuán)，反而使謎團(tuán)更大了。

隨著穩(wěn)定提高的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，暗物質(zhì)得到了更多、更精確的觀測(cè)。物理學(xué)家現(xiàn)在可以觀測(cè)到星系團(tuán)附近由引力扭曲造成的微小時(shí)空畸變。這種畸變被稱為引力透鏡效應(yīng)，會(huì)使更遙遠(yuǎn)的天體圖像產(chǎn)生輕微變形。光線在星系團(tuán)周圍產(chǎn)生彎曲，因?yàn)樾窍祱F(tuán)的引力起到了透鏡的作用。從這一效應(yīng)的強(qiáng)度，我們可以計(jì)算星系團(tuán)的總質(zhì)量，證明暗物質(zhì)的存在。通過這種方法，物理學(xué)家甚至制作出暗物質(zhì)分布地圖。通過將這些運(yùn)算結(jié)果和其他證據(jù)結(jié)合，他們推測(cè)，宇宙85%的質(zhì)量都是暗物質(zhì)。

通過更多數(shù)據(jù)，物理學(xué)家還可以排除暗物質(zhì)由普通原子（學(xué)術(shù)上稱之為重子物質(zhì)）構(gòu)成的理論。這種普通物質(zhì)跟自己的相互作用過于強(qiáng)烈，不會(huì)產(chǎn)生觀測(cè)到的暗物質(zhì)分布。暗物質(zhì)同樣不會(huì)由坍縮成黑洞的恒星或者其他非常暗淡的天體構(gòu)成，否則這些天體必須在數(shù)量上極大超過我們星系中的恒星，并且產(chǎn)生可以被我們觀測(cè)到的強(qiáng)烈的引力扭曲。暗物質(zhì)也不可能是其他已知粒子組成的，比如恒星散射出的大量弱相互作用的中微子。中微子不會(huì)導(dǎo)致足夠的聚集來(lái)創(chuàng)造我們觀測(cè)到的星系結(jié)構(gòu)。

因此，為了解釋什么組成了暗物質(zhì)，物理學(xué)家必須理論推導(dǎo)目前沒有被檢測(cè)到的新粒子。在廣義上，最常用的粒子被分為兩類：大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMPS）和相比之下輕很多的軸粒子，還有大量將幾種類型的粒子組合在一起的更為復(fù)雜的假設(shè)。然而到目前為止，所有對(duì)這些假定粒子進(jìn)行直接檢測(cè)的嘗試都失敗了。直接觀測(cè)不但沒有解決謎團(tuán)，反而使謎團(tuán)更大了。

“在今天，你可以只對(duì)宇宙感興趣，而對(duì)暗物質(zhì)不感興趣。”意大利進(jìn)修國(guó)際學(xué)校的物理學(xué)教授斯蒂法諾·利貝拉蒂說(shuō)。利貝拉蒂及其合作者獨(dú)立做出了與庫(kù)里的理論非常相似的暗物質(zhì)理論。當(dāng)利貝拉蒂第一次得知修正引力在冷暗物質(zhì)無(wú)法符合實(shí)際觀測(cè)的星系尺度上有多成功時(shí)，他立即開始嘗試尋找一種將兩種理論結(jié)合起來(lái)的方式?！八屛矣X得，或許小尺度上的暗物質(zhì)發(fā)生了某種相變，”他說(shuō)，“或許它變成了一種流體，具體來(lái)說(shuō)就是超流體。如果它在星系尺度上形成冷凝物，就解決了很多問題?！?/p>

超流體并不存在于人類的日常生活中，但物理學(xué)家對(duì)它們很熟悉。它們與超導(dǎo)體類似，是一種可以零阻力移動(dòng)電子的材料。當(dāng)溫度降低到接近絕對(duì)零度時(shí)，氦就像超導(dǎo)體一樣不受阻力地流動(dòng)。它會(huì)爬過最細(xì)小的孔，甚至可能沿著容器壁向上攀爬而溢出容器。這種超流體特性并不是氦特有的，其他粒子在溫度足夠低時(shí)也能達(dá)到這種物相。超流體于1924年首次由愛因斯坦和印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色預(yù)言。現(xiàn)在這一大類極低溫超流體被稱為玻色-愛因斯坦冷凝體。利貝拉蒂意識(shí)到，暗物質(zhì)或許也具有超流體相。

對(duì)玻色-愛因斯坦冷凝體最好的理解就是兩種組分的混合物：一種是超流體，另一種不是。這兩種組分的特性非常不同。超流體組分體現(xiàn)出了長(zhǎng)距離量子效應(yīng)，不具有黏性，并且在大的距離尺度上出現(xiàn)超預(yù)期的相互作用，就好像是由大很多的粒子（實(shí)際上是微小的組分）構(gòu)成的。另一類常規(guī)組分的特性就像我們習(xí)慣的那樣，跟容器壁粘在一起，也相互粘連——它具有黏性。這兩種組分的比例取決于冷凝體的溫度：溫度越高，常規(guī)組分就越多。

我們習(xí)慣認(rèn)為量子物理只在微觀領(lǐng)域存在，但是物理學(xué)家對(duì)量子理論了解得越多，就越發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此。玻色-愛因斯坦冷凝體是研究最充分地使量子作用在介質(zhì)中廣泛傳播的物質(zhì)之一。理論上講，如果沒有太多擾動(dòng)，量子特性可以在任意大的距離尺度上延伸。

在像地球這樣溫暖嘈雜的環(huán)境里，脆弱的量子效應(yīng)很快會(huì)被摧毀。這就是為什么我們通常無(wú)法觀測(cè)到量子物理那些更為奇怪的方面，比如粒子像波一樣的行為。但是在一個(gè)低溫安靜的環(huán)境里開始量子特性，它就會(huì)持續(xù)，例如在外太空中。在那里，量子效應(yīng)或許能夠延伸到廣闊無(wú)垠的距離。

超流體暗物質(zhì)或許還能克服修正引力帶來(lái)的心理挑戰(zhàn)：大多數(shù)天體物理學(xué)家不喜歡它。

如果暗物質(zhì)是玻色-愛因斯坦冷凝體（具有量子效應(yīng)、在整個(gè)星系中分布），便自然可以解釋暗物質(zhì)的兩種不同特性。在星系內(nèi)部，大部分暗物質(zhì)是超流體相。但是跨越飽含了許多星際空間的整個(gè)星系團(tuán)，大部分暗物質(zhì)會(huì)處于正常態(tài)，產(chǎn)生不同的特性。根據(jù)庫(kù)里及其合作者通過玻色-愛因斯坦冷凝體理論建立的一個(gè)簡(jiǎn)單模型，可以解釋觀測(cè)到的暗物質(zhì)作用。這一模型只有為數(shù)不多的幾個(gè)開放參數(shù)，也就是說(shuō)，只要幾個(gè)參數(shù)具有正確屬性就能讓模型成立。

“暗物質(zhì)或許是玻色-愛因斯坦冷凝體”這一觀點(diǎn)在天體物理學(xué)界流行過，但是這一次的版本不同。庫(kù)里的新觀點(diǎn)之所以令人信服，是因?yàn)樗暦Q超流體暗物質(zhì)同時(shí)可以模擬修正的引力：這達(dá)到了他將兩個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合的目的。原來(lái)引力不需要經(jīng)過修正就能獲得修正引力理論預(yù)測(cè)的結(jié)果。連貫的超流體可以產(chǎn)生相同的公式，以及相同的特性。這樣一來(lái)，庫(kù)里的模型就將冷暗物質(zhì)和修正引力的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)了，剔除了兩者的劣勢(shì)。

超流體暗物質(zhì)或許還能克服修正引力的最大挑戰(zhàn)：大多數(shù)天體物理學(xué)家不喜歡它。這些研究者當(dāng)中許多具有粒子物理學(xué)背景，修正引力公式跟他們習(xí)慣的理論公式不同。對(duì)粒子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些公式?jīng)]有吸引力，甚至不自然，它們看上去就像是為了符合要求故意編造出來(lái)的一樣。但是超流體暗物質(zhì)提供了一個(gè)不一樣的，或許更自然的獲得公式的方法。

根據(jù)庫(kù)里的說(shuō)法，這些超流體暗物質(zhì)公式不屬于基礎(chǔ)粒子物理學(xué)范疇。它們產(chǎn)生于凝聚態(tài)物理理論，描述的不是基本粒子，而是它們?cè)谧匀粻顟B(tài)下的長(zhǎng)距離特性。在庫(kù)里的模型里，修正引力中出現(xiàn)的公式不是用來(lái)描述單個(gè)粒子的。相反，它們描述的是粒子的集體相互作用。許多粒子物理學(xué)家對(duì)這些公式并不熟悉，這也就解釋了為什么超流體和修正引力之間的關(guān)系這么長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)一直沒有被注意到。然而，描述超流體的公式已經(jīng)有了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)——只不過是在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域。

庫(kù)里能夠發(fā)現(xiàn)這個(gè)聯(lián)系完全是因?yàn)檫\(yùn)氣。他無(wú)意中看到了一篇凝聚態(tài)物理文獻(xiàn)，文獻(xiàn)中使用的公式與他熟知的修正引力公式非常相似。“其余的理論就這樣到位了，”他說(shuō)，“我認(rèn)為這一切恰好為將兩種現(xiàn)象統(tǒng)一構(gòu)造了一個(gè)漂亮的圖景?！?/p>

回到暗物質(zhì)的觀測(cè)證據(jù)上，庫(kù)里的超流體理論可以解決許多現(xiàn)有模型無(wú)法解決的問題。首先，超流體可以阻止暗物質(zhì)在星系中央過量聚集，消除了假性“尖點(diǎn)”，因?yàn)槌黧w相能夠平均任何大型密度波動(dòng)。“超流體會(huì)具有一個(gè)連貫長(zhǎng)度（一種距離，在此距離上所有物質(zhì)都處于同一狀態(tài)），” 利貝拉蒂說(shuō)，“因此不可能出現(xiàn)尖點(diǎn)?！?/p>

超流體能夠生成與修正引力公式相同的吸引模式，所以它可以復(fù)制出觀測(cè)到的星系旋轉(zhuǎn)曲線的規(guī)律性。然而，與修正引力不同，它只有在超流體是主要組分的溫度范圍內(nèi)才能表現(xiàn)出這種特性。在星系團(tuán)這種大尺度上，暗物質(zhì)過于擾動(dòng)（即過熱），失去了超流體特性。這樣一來(lái)，超流體暗物質(zhì)既可以形成可見星系的基礎(chǔ)，又因?yàn)榉浅黧w相而與觀測(cè)到的星系團(tuán)結(jié)構(gòu)吻合。

我還是個(gè)學(xué)生的時(shí)候，每個(gè)月都會(huì)做關(guān)于修正引力的夢(mèng)。

庫(kù)里的理論解釋了為什么天文學(xué)家在太陽(yáng)系內(nèi)找不到修正引力的證據(jù)?！疤?yáng)本身產(chǎn)生了強(qiáng)大的引力場(chǎng)，會(huì)在局部摧毀超流體的連貫性，”他說(shuō)，“在太陽(yáng)系附近，你不應(yīng)該按照連貫的超流體來(lái)思考。太陽(yáng)的作用類似于雜質(zhì)，就好像流體里出現(xiàn)了異物。”

最后，超流體模型解釋了為什么物理學(xué)家沒能夠找到暗物質(zhì)粒子。從20世紀(jì)80年代開始，有一系列不同的實(shí)驗(yàn)致力尋找這種粒子存在的直接證據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)一般會(huì)使用遮蔽良好的大型容器，容器中裝填了只有在和暗物質(zhì)相互作用的稀有情況下才能產(chǎn)生可觀測(cè)信號(hào)的不同物質(zhì)。雖然使用了多種技術(shù)和材料，檢測(cè)器被小心翼翼地做了遮蔽，并且通過藏在地下礦場(chǎng)里來(lái)過濾假陽(yáng)性信

號(hào)，這些實(shí)驗(yàn)還是沒有找到暗物質(zhì)存在的決定性證據(jù)。

因?yàn)闆]有檢測(cè)到暗物質(zhì)，“暗物質(zhì)或許不僅僅是另一種粒子”這一曾經(jīng)遭到嘲笑的觀點(diǎn)重新流行了起來(lái)?！拔疫€是個(gè)學(xué)生的時(shí)候，每個(gè)月都會(huì)做關(guān)于修正引力的夢(mèng)，”普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)教授尼馬·阿爾卡尼·哈米德說(shuō)，“后來(lái)一年能夢(mèng)見一次，現(xiàn)在每100天夢(mèng)見一次，修正引力的熱度開始回升了?！?/p>

如果暗物質(zhì)是超流體，構(gòu)成它的粒子就必須是輕量的，比大多數(shù)搜尋工作的目標(biāo)，即假想的暗物質(zhì)粒子要輕很多。超流體的成分或許太輕了，不可能被目前運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)捕捉到。

庫(kù)里的模型做出的一個(gè)更好更獨(dú)特的預(yù)測(cè)是，超流體的量子特性會(huì)在星際碰撞中留下標(biāo)志性的圖樣。當(dāng)一個(gè)星系中凝聚的暗物質(zhì)與另一個(gè)星系碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣——物質(zhì)和引力分布的漣漪，影響星系穩(wěn)定下來(lái)的方式。超流體暗物質(zhì)還預(yù)測(cè)星系團(tuán)內(nèi)的暗物質(zhì)組分間具有摩擦，這樣的摩擦又會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的萬(wàn)有引力圖樣。觀測(cè)引力透鏡效應(yīng)可以檢測(cè)到這些超流體暗物質(zhì)留下的

痕跡，如果我們很明確地知道自己在找什么的話。

為了量化這些預(yù)測(cè)，需要進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。庫(kù)里目前就在和牛津大學(xué)的研究者一起做這樣一個(gè)課題。模擬應(yīng)該還可以顯示超流體暗物質(zhì)理論預(yù)測(cè)的衛(wèi)星星系數(shù)量，看看與目前模型預(yù)測(cè)的相比是否更符合實(shí)際觀測(cè)結(jié)果。

阿曼達(dá)·韋爾特曼，開普敦大學(xué)研究暗物質(zhì)的宇宙學(xué)家，雖然她沒有參與這項(xiàng)研究，但她表示這一新模型“非常有意思，很有創(chuàng)造性”。不過，她說(shuō)，除非她看見一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)，一些能夠明確支持超流體的信號(hào)，否則她對(duì)這個(gè)新理論還是持保留意見：“只有這樣的觀測(cè)才能夠給他們的想法增添真正的重量?！?如果超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬是成功的，庫(kù)里或許就能夠獲得這樣的證據(jù)。然后我們就必須習(xí)慣一個(gè)更加怪異的宇宙觀——宇宙不僅僅充滿暗物質(zhì)，而且在所有明亮星系的周圍都圍繞著無(wú)摩擦的流體。

阿爾卡尼·哈米德持更加懷疑的態(tài)度，他暫時(shí)還不想拋棄冷暗物質(zhì)理論?！叭绻麄?cè)谙乱唤M實(shí)驗(yàn)里發(fā)現(xiàn)不了弱相互作用大質(zhì)量粒子，在未來(lái)20年里他們就沒有發(fā)現(xiàn)的可能了?！彼f(shuō)。他認(rèn)為，重新審視基于非常規(guī)粒子或者修正引力的模型的時(shí)候到了，哪怕是一個(gè)將這兩種黑暗世界的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的模型。