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宇宙的幽灵:探索暗物质的前世今生

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出品:新浪科技《科学大家》、未来论坛

主讲嘉宾:郁海波 美国加州大学河滨分校物理与天文系副教授、未来论坛青创联盟成员

宇宙、世界的万世万物,在物理学大类里分成很多小类,有宇宙学、有天文学、有生物力学、有凝聚态物理、有核物理,再有基本粒子物理。暗物质研究是非常特殊,它是介于粒子物理学和宇宙学之间的一门学问,是跨学科的研究。

恒星的尺度大概是10的11次方米,有上千亿颗恒星会组成一个星系,这个星系尺度大概是在10的21次方米。上千个星系可以组成星系团,星系团尺度10的23次方米。星系团是人类所观测到最大的由自我引力形成的结构。所有的星系团和时空加起来,就是我们所观测到的宇宙。

暗物质存在最早的证据来自于瑞士和美国物理学家弗里茨·兹威基,他在上个世纪30年代做出了非常重要的工作,他做了什么样的事情?他选择了一个星系团进行了观测,他发现星系团里面星系的速度,运动的非常快,从高中的物理学知道,如果一个系统比较稳定,那么它的动能应该跟势能比较接近,势能是由所有的质量决定,如果它只考虑所有可见物质,它会发现动能比势能远远要大。这些星系速度太快,可以飞离星系团。但事实上观测到,所有星系都在星系团运动,他做了一个非常大胆的假设:有可能在星系团中,我们有看不见的物质提供了额外的引力把星系拉在了一起,他就把它叫做暗物质。

这是一个非常有意思的假设,但是在很长的一段时间里面没有得到重视。我想有非常多的原因:因为他是天才级人物,他做这样的预言,同时代的人不一定跟得上他的思路;还有一个有意思的原因,我想他是一个非常刻薄的人,他经常给他同事们起外号,比如说很多同事他叫做混蛋,叫做球状的混蛋。混蛋已经很刻薄了,为什么要叫球状的混蛋?因为不管从哪个角度看,他的同事都是一个混蛋,因为球是由最大的对称性,不管从哪个角度看,这个球都是一个球形的。

这个问题在70年代得到了非常大的重视,这里重要的工作是由美国的女天文物理学家薇拉·鲁宾完成的。她选择了一些旋转星系来进行仔细的观察,就像银河系是一个旋转的星系,大概有2000亿颗恒星。它们都会绕着星系的中心旋转,所以天文观测中可以每一点,可以观测它旋转的速度,观测的结果就是由黄线所示。

这个很奇怪,因为根据牛顿万有引力,星系的旋转速度是由质量和距离一起决定的。因为旋转星系基本上所有的质量都集中在星系的中间,所以越到很外面,恒星旋转的速度就会越来越低,就像绿色这条线所显示。事实上不是这样的,事实上观测到的是接近于一个常数,那就意味着其实在星系里,有很多物质我们是看不到的,它们给这些外围的恒星提供了足够多的引力把它拉在一起。

我们可以从上图左下角里看例子。这个妈妈跟小孩在玩甩人的游戏,如果小朋友甩的快,旋转速度快,妈妈就需要用更大的力把他拉在一起,否则小孩就会甩到外面去,这是一个非常形象的例子来理解天文学的观测现象。

还有一个重大的突破在上个世纪末期和本世纪初,是宇宙学的观测:所谓宇宙微波背景辐射的观测。我们知道现在宇宙的年龄是137亿年左右,上面这张照片是显示宇宙还在婴儿时期温度的分布,那个时候宇宙有38万年的年龄,听起来很长,但是跟总年龄比起来是婴儿时期。这张图是温度的分布,总体温度的分布是比较均匀的,实际上你又看到有不均匀的地方,有一些地方比较黄,就表明温度比较高,有的地方温度比较低,就是蓝色。从数学上讲,涨落大概是10的负5次方左右,是非常非常小的涨落,大家觉得很奇怪,为什么宇宙在那个时候的温度分布不是均匀的。

宇宙温度涨落暗示存在暗物质

后来物理学家了解到要解释这样的温度的涨落,有一个必须的假设就是这个宇宙中,其实存在着暗物质,温度的涨落反映了宇宙暗物质的分布在那个时候是不均匀的,暗物质密度的涨落是10的负5次方左右,这就完美的解释观测到的现象。

这是一个极其重要的实验,通过这个实验,我们能够很精确的知道暗物质在宇宙中的组分,右边这张图展现宇宙中不同的重要的组分。暗物质大概占了27%质量能量的总和,所有的可见物质,包括所有的恒星气体,我们看到的世界,只占了5%的成分,接下来大概有68%的那部分叫暗能量。从这个观测我们知道,宇宙中95%的东西,我们都是看不到的,没有任何关于它们细节的信息。我们只能直接观测到5%的可见的物质,所以我们对整个宇宙非常无知。

从宇宙的尺度,我们在回到银河系的尺度,左边这张图展现了银河系里两千亿颗恒星分布的状况,它都是在一个类似于圆盘一样的结构中运动。那么右边这张图,其实就显示了如果你把暗物质这个结构加上去,这个图象应该是这个样子的,就是两千亿颗恒星,大概都集中在非常中间的地方,这些恒星生活在暗物质晕这样一个结构里头。这个结构它的质量比所有的恒星加起来都还要重30倍,所以在银河系中,质量最大的物质其实是暗物质,而不是恒星,不是气体,不是我们看到的山和世界。

暗物质的密度非常非常低,比如说考虑我们生活的银河系周围。我们知道暗物质的质量是不知道的,假定暗物质粒子的质量是质子的100倍,一个茶杯里,估计就有一个暗物质粒子,所以它的密度是极其低下的,接近于真空。但是暗物质的速度很大,它在太阳系周围以每秒200公里的速度进行运转。

这张图展现了整个宇宙演化的历史,在宇宙起源于一次非常非常剧烈的大爆炸,之后宇宙急剧膨胀,宇宙慢慢的冷却,中间会形成不同的结构,比如说星系,比如说太阳系、地球、月亮等等等等,总共宇宙的年龄是137亿年。我们很难想象,大多数人很难想象,科学家能把这个测的如此的精确。

宇宙演化中,暗物质扮演重要角色

现代科学告诉我们,在漫长宇宙演化的历史中,暗物质扮演了关键的角色。你会说暗物质看上去很重要,但是跟我们的生活有什么关系?其实有一个很有趣的关联,我在这里可以阐述一下,比如说人类的生存,依赖于很多矿物质和微量元素,比如说钙、锰、锌、钠,但这类元素并不能在宇宙早期演化的时候和合成,只是在很晚的时候,主要由一个很特殊的天文事例才能合成这些元素,这个事例就叫超新星爆发。

什么叫ƒ爆发?类似于像一颗太阳这样的恒星,在晚期的时候,由于原子核反应和引力相互作用会发生爆炸,在爆炸的时候,就会合成这些元素。即便能合成这些元素,这些元素产生的时候会产生很大的速度,这些速度很大,足以分离超新星,变成星际的尘埃,如果没有暗物质。有暗物质存在,暗物质会提供足够多的引力,把这些粒子吸回来。所以这些矿物的粒子就会在银河系里进行回收,再在地球上进行富集,这就给我们人类提供营养。所以有句玩笑的话,人类起源于宇宙的星辰,但是暗物质能呵护你我的健康。

我们讲了宇宙大尺度的结构,我们讲了从宇宙大尺度的结构中得出暗物质存在的结论,我们现在来讲一讲小尺度的前沿问题。左边这张图展示了一个原子的结构,我们知道原子由电子和原子核组成,但是原子核不是基本粒子,原子核由质子和中子组成,但是质子和中子也不是基本粒子,因为他们由夸克组成。

右边这张图展示了人类目前所知道所有的基本粒子可以排列的非常漂亮的结构,从竖下来的角度看,第一竖上夸克、下夸克、电子、中微子,这些粒子叫所谓物质粒子,因为它们是组成我们所知道的物质的基本粒子。我们看到物质粒子,上面两个粒子叫上夸克和下夸克,再下面是电子,还有电子中微子,这样的物质粒子有三代组成我们所知道的基本粒子世界。红色的粒子叫媒介粒子,它们传递相互作用的。最后一个黄色所谓上帝粒子,是最近2012年才被发现的。这两位物理学家因此,获得了诺贝尔奖。但是这个粒子是在上个世纪60年代,是他们预言的,所以花了大概40、50年的时间,才把它找到。从这个例子看出来科学是一件非常不容易的事情。

我们再来讲一下基本和相互作用在宇宙中我们知道了有四种基本相互作用,有引力相互作用,有电磁相互作用,有强相互作用和弱相互作用。我们对这第一两种相互作用其实比较熟悉,但是我们不一定熟悉弱相互作用,其实弱相互作用是负责粒子衰变 。强相互作用就是把夸克绑在一起,形成了原子核。

现代物理看相互作用是由相互作用粒子进行传递,所以我把这些传递的粒子都放在右边的图上,比如说我们在高中的时候就学到电子之间,会有库仑相互作用,为什么会有库仑相互作用?现代物理学的角度来说,是因为他们能交换光子,电磁相互作用是通过光子来进行传递的。

所有关于粒子的性质、相互作用,其实可以写成一个非常非常简单的公式,在茶杯上面只有短短的四行,因为很短,所以你原则上可以把它写成一行都可以,看起来这个世界基本规律是非常非常简单的。

如果你把短短的一行完全展开,你会发现这个是很长很长的,你写一页纸,如果把这些公式让你抄下,你大概需要花半个小时的时间。虽然这个很长,但是你想一下不是很复杂,为什么?因为这样的公式描述了宇宙中所有发现的基本粒子的相合作用,我们似乎知道宇宙中最深最深的奥秘。在这个理论的发展过程中,华人的物理学家作出杰出的贡献,所以我在这里列了几位,在50年代的时候,李政道和杨振宁先生就预言,弱相互作用只在左手粒子上有作用,一年之后由华裔物理学家吴健雄先生带领实验团队把它证实。所以李杨两位在50年代就拿了诺贝尔奖。

上图右下角是杨振宁先生和他的合作者米尔斯先生的合照。他们在50年代就提出,相互作用是由对称性来支配的,听起来比较复杂,比较抽象,不知道什么意思,但是这么简单的一句话,它的意义及其重大,意味着所有的基本的相互作用可以用很简单的方式来把它写下来,所以杨先生的杨·米尔斯场论的工作是现代物理学的奠基之作,意义不下于牛顿、爱因斯坦的工作。

我们既讲了大尺度的宇宙演化,又讲了小尺度粒子的构成和特征,我们把这两样东西摆在一起,看一看情况是怎么样的。要成为一个暗物质,粒子必须满足三个最基本的条件,一个是粒子必须要比较暗,没有电磁相互作用,否则就能找到它,它要比较稳,因为宇宙的年龄很长,所以比较稳定才可以。粒子要比较冷,要形成结构,如果跑的太快,就不能形成结构。

这样三条最基本的特性,你会发现没有一个我们所知道的粒子满足这三个条件,在历史上最有可能成为暗物质的侯选粒子是中微子,只有弱相互作用,也是稳定的,但是质量太小,而且“温度”太高了。这是一件非常有意思的事情,我们在宇宙学里面,我们就知道暗物质需要存在,但是在基本粒子标准模型里面,没有暗物质的侯选粒子。这样问题就比较严重,在我看来这两个模型都是作为人类文明最高成就的模型,但是它们是不自洽的,所以非常有意义, 是一个重大的问题,因为你有两个很成功的理论,你把它放在一起,它们是不自洽的,对我们来说特别是年轻的学生来说,这是一个很好的机会。

要解决这个问题,我们怎么办?作为一个理论家,其实很简单,你就加一个新的粒子,来假定粒子就是暗物质粒子,你看一下它跟我们所知道的粒子可能会有什么样的相互作用。肯定有引力的作用,因为牛顿万有引力告诉我们,只要有质量就有引力,不可以有电子相互作用,因为暗物质是比较暗的,你看不到它,不可以有强相互作用。也许还可能有弱相互作用,因为这个想法最初在70年代的时候,实验的限制还不是很强,大家认为它可以有弱相互作用。

这个理论就叫做弱相互作用质量粒子理论,你加了一个有质量的粒子,带的弱相互作用,这就是所谓弱相互作用粒子。这个理论统治了物理学界接近了30年-40年。为什么大家对这个理论特别感兴趣,原因是这样的,因为它携带弱相互作用,所以原则上我们可以把这个粒子在实验室中找到。

三种方法探测暗物质

目前关于暗物质所有的证据都是来自天文,如果能在实验室中找到这样的粒子就很有意义,正因为它带弱相互作用,所以我们可以用不同的渠道来寻找它。

总体上有三类不同的办法,一类叫直接探测,所谓叫摇晃它,意思就是暗物质粒子可以跟可见物质粒子碰撞产生信号。另外一个叫非直接探测,两个暗物质粒子会碰在一起,湮灭产生可见物质粒子。你可以把两个可见物质粒子撞在一起产生暗物质粒子,这个就是为产生它。这是用对撞机来寻找暗物质的一个办法。

接下来我们来把每一个这样的过程简单的讨论一下,我们再讨论一下全世界为这些探测建了怎么样的实验室。我们先来看一下直接探测,直接探测的想法就是你把一个探测器放在地底下,然后等待暗物质粒子来撞击原子核,撞击了原子核之后,原子核会进行反冲,所以因为暗物质粒子会把它的能量传递给原子核粒子,那么如果你能把反冲的信号记录下来,那你就探测到一个暗物质粒子。为什么要把探测器放在地底下,那是因为这样的实验非常难做,例数太少,宇宙线就会产生很多干扰,放在地底下,我们可以用岩石来屏蔽宇宙线的干扰。

这个听起来好像很熟悉,因为我们小时候都读过守株待兔的故事,因为古代的时候有一个农夫,他做了一个树桩,他躺在树桩旁边睡觉,等待兔子撞在树桩上,他可以拿回家。那么暗物质实验非常像守株待兔的故事,科学家建一个探测器,放在地底下,等着暗物质兔子撞在探测器上面。当然我们跟农夫比,科学家是非常勤奋的。

关于暗物质探测,在全世界有极其厉害的竞争。可以说是暗物质直接探测全球争霸赛,我们有北美的,有中国的,有日本的,有韩国的,还有南极的。特别是在中国这里会比较多讲一点,这是在四川的实验室,这里有两个实验,一个是上海交通大学领导的熊猫实验,另外一个是由清华大学领导的中国暗物质实验,接下来我会简单讲一下这些实验的情况。

我们来讲一下熊猫暗物质实验,这个实验最近十年才发展起来,这个实验由上海交大的季向东教授和刘江来教授领导。左下角是实验的示意图,一个暗物质粒子,就是一个弱相互作用粒子跑来,跟原子核发生碰撞的时候,它会产生两个信号,它会产生光信号,也会产生电子的信号,如果把这两个信号记录下来,表明有暗物质探测到了。右边这个图,探测器的样子用的是氙气,就是惰性气体,把液化的气体放在探测器里面。

熊猫实验在短短的几年内,就成为世界上最灵敏的探测器之一,在几次领先世界,在暗物质探测方面,这是非常动人的故事。组里有一个学生叫谈安迪,他毕业的时候写了一篇文章叫“五年青春成为一名山底洞人”,他就记录了五年工作的情况,极其辛苦。他在那里讲一句话就是“不曾哭过长夜的人,不足以语人生”。所以我建议同学可以去网上找一下他的这篇文章,我看了也很感动。

为什么这么困难,因为你要做世界上最好的实验,最好的结果,建世界上最灵敏的探测器,要达到这样的目标是极其困难的,比如说气体你要进行提纯,这个纯度要很高很高,我把这个数字列在上面,百分比的小数点后面还有8个0,要达到这样的条件是极其困难的。

讲完了直接探测,我们再来讲一下对撞机的实验,世界上最大的基本粒子对撞机是在瑞士和法国的边界,在日内瓦的郊区,叫大型强子对撞机。在这个图里画的圈就是对撞机的轨道,对撞机会把自己对撞到接近于光速的程度。根据爱因斯坦的狭义相对论我们知道,如果有质量,粒子有质量,是不可能真正达到光速的,但可以非常非常接近于光速。

因为在这个理论里头,暗物质粒子携带了弱相互作用,所以我们可以想象一下你对撞两个质子的时候,就有可能产生一个暗物质,通过弱相互作用。但是这里有一个问题,因为在这个理论里暗物质只携带弱相互作用,你这边能产生它的时候,也不会在探测器上留下任何的踪迹。在中国古代有轻功好的人,叫踏雪无痕,因为即便产生的时候,它会逃离探测器,不会留下任何踪迹,所以是非常难探测的一件事情,我们需要想一个办法。

这个办法也是很简单,我们在高中里学过物理学的知识,我们知道对一个过程来说,物理的过程来说,能量和动量是守恒的,所以我们可以想像,在碰撞过程中,质子或者夸克会辐射出一个光子来,所以最后的信号是两个质子对撞,产生两个暗物质粒子,一个光子,光子我们能测的,两个初始的质子我们也能测,我们测到这些粒子之后,可以测出动量和能量。通过能动量守恒,我们就知道有没有暗物质粒子在这个过程中产生。在十年前我自己就做过这方面的工作,所提的建议得到实验物理学家的广泛采用。

暗物质如何进行非直接探测,这个想法就是两个暗物质粒子会碰在一块,湮灭产生可见物质,像光子、电子等等。因为我们的银河系就生活在暗物质晕里头,所谓暗物质到处都是,如果湮灭的过程能产生可见物质,我们就能探测到暗物质。

科学家到各地各处来建暗物质探测的实验室。比如说美国的科学家去了南极,做了一个冰立方探测器,怎么做?就是你在冰层挖大概2.5公里的洞,在洞里放一个探测器,探测什么?探测所谓中微子,中微子粒子跑过冰层的时候,和冰层里的物质相互作用,间接会产生光子,光子就会被探测器接收到。

上图是国际空间站的实验,由华人物理学家诺贝尔奖获得者丁肇中先生领导,他把探测器放在了国际空间站上面,探测器能够探测电子和光子的信号,如果暗物质湮灭产生电子和光子,这个探测器就会非常敏感。

还有中国本土的实验,南京紫金山天文台的常进教授领导的悟空暗物质粒子探测卫星,在这里探测器就放在卫星上面,它也是能寻找高能的电子和光子,如果暗物质粒子湮灭产生这些粒子,悟空的探测器就能探测到。

我们对暗物质粒子的搜索已经经历了30年-40年的时间,到现在为止我们还没有在实验室中探测到暗物质粒子的踪迹。所有关于暗物质存在的证据都来自天文和宇宙学的观测,那么我发现在中国诗人白居易的长恨歌里有一句话,能够非常好的描述当下的情况,这句话叫“上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见”。科学家在寻找暗物质的时候,上天下地,找了好久我们都还没有找到。

人类在面对宇宙未知的时候,是不会放弃探索的努力,特别是科学家,因为我们对宇宙实在是知道的太少了,我们只知道5%的粒子是由可见物质组成的,宇宙中95%都是不知道的,其中27%是暗物质。所以我们会不停的努力往前。我想在过去十年或者今后十年、二十年会在四个比较重要的方面突破,一个突破是理论的突破,我们过去30-40年寻找暗物质的设计都是基于弱相互作用粒子的理论,那么现在我们应该拓宽我们的视野。在天文学中,我们应该发展更高分辨率的天文观测,能来仔细的研究恒星和气体的运动,知道更多的暗物质的性质。从实验的角度上来说,我们需要建立更大的探测器,需要更深的实验室。

这张图的中间,在现代世界上最重要的几个实验室的深度,有美国的好几个实验室,有日本的,有加拿大的等等。那么你会发现看最右面的时候你会发现世界上最深的实验室是在哪里,是在中国四川的锦屏实验室,希望中国在探测暗物质前进的道路上,做出更大的贡献。

注:本文根据郁海波在未来论坛演讲整理而来,有删减,图片由作者提供。

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