2016年11月，理論物理學(xué)界的“大咖”、荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的理論物理學(xué)家艾瑞克·瓦爾林德（Erik Verlinde）發(fā)表論文，稱引力是由真空的量子糾纏熵呈展而來的，原先認為由暗物質(zhì)造成的引力效應(yīng)其實源于真空和暗能量中存在額外的熵。這一理論猜想再次引發(fā)了暗物質(zhì)是否存在的討論。那么，暗物質(zhì)是否存在？其他科學(xué)家如何看待這個問題？

暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)之路

要想回答“暗物質(zhì)是否存在”這個問題，首先讓我們來看看“暗物質(zhì)”是如何被發(fā)現(xiàn)的。

茫茫宇宙中，發(fā)光的星體只是一個個可見的孤島，宇宙中的絕大部分是黑暗和混沌的。宇宙中零星存在一些不發(fā)光的物質(zhì)本屬平常之事，然而隨著天文學(xué)觀測進入高精度時代，人們認識到整個宇宙中的物質(zhì)是被某種不發(fā)光的神秘物質(zhì)主導(dǎo)的——它和我們目前已知的任何一種物質(zhì)都不同，而人類迄今了解的所有形形色色的物質(zhì)，只是物質(zhì)世界冰山的一角。

Dark Matter中文譯為“暗物質(zhì)”，最早由荷蘭天文學(xué)家、恒星天文學(xué)的先驅(qū)者卡普頓（J. Kapteyn）在1922年提出，指可通過星體的運動間接推斷出其周圍可能存在的不可見物質(zhì)。但卡普頓對太陽系附近星體運動的研究未能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的確鑿依據(jù)。

1933年，美國加州理工大學(xué)的天體物理學(xué)家茲維基（F. Zwicky）首次在實驗中找到出暗物質(zhì)存在的證據(jù)——他利用光譜紅移測量了后發(fā)座星系團中各個星系相對于星系團的運動速度，發(fā)現(xiàn)它們運動得太快，以至于僅靠星系團中可見星系的質(zhì)量提供的引力無法將它們束縛在一起。他由此推斷，后發(fā)座星系團之所以能夠保持現(xiàn)在的狀態(tài)，其中應(yīng)該存在大量暗物質(zhì)，并且其質(zhì)量至少為可見星系的百倍以上（雖然后來更精確地研究證明只有十倍左右，但他得出暗物質(zhì)為主的結(jié)論依然正確）。

然而這一革命性的結(jié)論在當時未能引起學(xué)術(shù)界的重視，但之后不斷有研究支持他的觀點。決定性的證據(jù)出現(xiàn)在1970年，其時，美國天體物理學(xué)家魯賓（V. C. Rubin）和福特（W. K. Ford）對仙女座大星云中星體旋轉(zhuǎn)速度的研究取得了重大突破——這讓學(xué)術(shù)界認識到，暗物質(zhì)的確大量存在，并逐漸成為學(xué)術(shù)界的主流觀點。這兩位科學(xué)家利用高精度的光譜測量技術(shù)，能夠精確地探測到非常遙遠的星體和星際氣體繞星系的旋轉(zhuǎn)速度和距離的關(guān)系。簡單地說，按照牛頓萬有引力定律，如果星系的質(zhì)量主要集中在星系核心區(qū)的可見星體上，那么星系外圍的星體的速度將隨著距離而減小。但觀測結(jié)果卻表明在相當大的范圍內(nèi)，星系外圍的星體的速度是恒定的。這意味著要么牛頓萬有引力定律是不正確的，要么星系中有大量的不可見物質(zhì)分布在星系的非核心區(qū)，并且其質(zhì)量遠大于發(fā)光星體的質(zhì)量總和。

尋找暗物質(zhì)的

三種方法

暗物質(zhì)的實驗探測手段大致有三種方法：一是空間探測，即通過宇宙星系中暗物質(zhì)的湮滅或微衰變產(chǎn)生的次級粒子如正負電子、正反質(zhì)子、中微子、光子等進行探測；二是在深部地下實驗室的低輻射本地環(huán)境下，探測暗物質(zhì)與原子核的可能的碰撞散射過程；三是加速器實驗，即在高能對撞機上直接產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子并進行探測。對于軸子類型的暗物質(zhì)，可以通過其在強磁場中光子的產(chǎn)生進行探測。

空間探測是一種間接探測方法。根據(jù)目前的理論模型，暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后可能會產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，如果我們能夠精確測量這些粒子的能譜，可能會發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的蛛絲馬跡。目前的空間探測實驗有諾貝爾物理學(xué)獎得主丁肇中主持的裝載在國際空間站的阿爾法磁譜儀、美國費米衛(wèi)星、我國的“悟空”暗物質(zhì)探測衛(wèi)星等。

地下探測是一種直接探測方法。該方法直接探測來自宇宙空間的暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號。由于發(fā)生這種碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號也極其微弱，為了降低來自太空的宇宙線本底“噪聲”，通常需要把探測器放置在很深的地下。目前采用深部地下探測實驗的有美國的CDMS和Xenon100實驗，我國的CDEX和PandaX實驗等數(shù)十個實驗。

加速器實驗是一種主動“制造”暗物質(zhì)的方法。在高能加速器上讓粒子互相碰撞，打出新粒子，將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來，并研究其物理特性。但要在加速器上進行暗物質(zhì)實驗，需要很高的能量，目前最高能量的對撞機是歐洲大型強子對撞機。

存在暗物質(zhì)是學(xué)術(shù)界主流觀點

經(jīng)過大量的后續(xù)研究，暗物質(zhì)存在這一推論逐漸被天文學(xué)界廣泛認可。但正如前文所說，觀測到的現(xiàn)象也有可能意味著萬有引力定律是需要修改的，而并非由暗物質(zhì)引起。荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的理論物理學(xué)家艾瑞克·瓦爾林德就在這條路上進行了新的探索，并取得了部分成功。但目前尚未找到一個修正的萬有引力定律的理論，能夠統(tǒng)一解釋主要的觀測事實，尤其是解釋宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成以及微波背景輻射中的擾動。

而引入“暗物質(zhì)”的概念來理解這些觀測事實，要相對容易得多。應(yīng)該說，存在暗物質(zhì)仍然是目前學(xué)術(shù)界的主流觀點。

暗物質(zhì)雖不可見，但我們能通過其他方式發(fā)現(xiàn)它們存在的蛛絲馬跡。比如，星系團中普遍存在能發(fā)射出X-射線的熾熱氣體，如果沒有足夠的引力，氣體將很快“逃出”星系團并消散。因此，科學(xué)家通過氣體的溫度，就能推測出星系團的質(zhì)量——大量的星系團X-射線觀測數(shù)據(jù)表明星系團質(zhì)量遠大于其中發(fā)光部分的貢獻，這就說明有大量暗物質(zhì)存在。再比如，根據(jù)廣義相對論，引力能導(dǎo)致光線彎曲。如果暗物質(zhì)大量存在，其所產(chǎn)生的引力必然會改變“路過”它們的光線的走向?？茖W(xué)家在天文觀測中發(fā)現(xiàn)，我們看到的星系的形狀和它們的實際形狀不相符，這說明星系發(fā)出的光線“變形”了，因此推測星系團中可能存在大量暗物質(zhì)。這些不同方法得出的結(jié)論基本保持一致，且可以互相印證。

在宇宙尺度上，科學(xué)家已經(jīng)通過微波背景輻射確定宇宙中暗物質(zhì)的總量：目前的觀測表明宇宙總物質(zhì)的85%以上由暗物質(zhì)貢獻，構(gòu)成天體和星際氣體的常規(guī)物質(zhì)只占15%。

暗物質(zhì)，已知的和未知的

然而我們對暗物質(zhì)屬性的了解仍然很少——目前我們只知道暗物質(zhì)不是什么，但并不知道它是什么——暗物質(zhì)應(yīng)是有質(zhì)量的，能夠參與引力相互作用，但單個暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量大小還不知道；暗物質(zhì)應(yīng)該很難衰變，因為在宇宙結(jié)構(gòu)形成的不同階段都有暗物質(zhì)存在的證據(jù)，其壽命起碼要長過宇宙年齡；暗物質(zhì)基本不參與電磁相互作用，暗物質(zhì)與光子的相互作用必須非常弱，以至于其基本不發(fā)光；數(shù)值模擬表明暗物質(zhì)也不可能高速運動，否則宇宙無法在引力作用下形成目前的星系、星系團等結(jié)構(gòu)；暗物質(zhì)不可能是常規(guī)致密天體，比如中子星和黑洞，因為微引力透鏡的巡天觀測研究顯示，宇宙中這類不發(fā)光的致密天體的總量是很小的。

更重要的是，暗物質(zhì)不應(yīng)是常規(guī)物質(zhì)，即不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。人類已知的物質(zhì)世界幾乎全部由原子核，即質(zhì)子和中子構(gòu)成，并且這種常規(guī)物質(zhì)的總量是確定的——這可由原初核合成理論計算得出，并與觀測結(jié)果令人吃驚地相符合。因此如此大量的暗物質(zhì)不可能來自常規(guī)物質(zhì)，它是一種完全未知的新的物質(zhì)類型。

我們已知的所有常規(guī)物質(zhì)都能夠用粒子物理標準模型來解釋，但暗物質(zhì)的存在對這一模型的完備性提出了巨大的挑戰(zhàn)。曾經(jīng)有推測，中微子的性質(zhì)和暗物質(zhì)的性質(zhì)接近，中微子或許就是暗物質(zhì)。但更多的研究表明，中微子不是暗物質(zhì)——它幾乎以光速運動，與暗物質(zhì)低速運動的特征不符合。由此，標準模型中再沒有合適的暗物質(zhì)候選者，這明確提示我們：當前的標準模型還不是一個統(tǒng)一描述物質(zhì)世界的完備理論。

為了找到這種完備的理論，物理學(xué)家都在努力探索著，提出了很多新理論。比如，超對稱理論就是最近比較流行的一種新理論。這種理論認為，最輕的超對稱粒子是暗物質(zhì)粒子。再比如，也有理論認為，暗物質(zhì)可能是軸子，是一種與對稱性破缺相聯(lián)系的粒子。

目前世界各國都在集中力量探測暗物質(zhì)屬性，我國也正在積極推進這方面研究工作。我國已經(jīng)在四川錦屏建成了小型暗物質(zhì)探測實驗室，這里具有得天獨厚的有利條件，位于錦屏山地表2500米之下，是目前世界上最深的地下探測實驗室，能很好地屏蔽各種宇宙射線背景的干擾。在這里，由清華大學(xué)負責的CDEX探測器和由上海交通大學(xué)負責的PandaX探測器正在進行探測，探測能力位居世界前列。同時，我國也在開展暗物質(zhì)空間探測——我國第一顆暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”已經(jīng)在軌道空間收集了一年的數(shù)據(jù)。相信這些探測將會為最終解開暗物質(zhì)之謎作出貢獻。

魯賓曾說：星系中不可見物質(zhì)與可見物質(zhì)的比例大約為10：1，這大抵也是人類對未知世界與已知世界的比例，人類對物質(zhì)世界的認識只是剛剛走出幼兒園而已。暗物質(zhì)問題是籠罩在21世紀科學(xué)之上的一朵烏云，為了驅(qū)散這朵烏云，科學(xué)家們正在努力著。