围绕暗物质的争论

今天我们来讲讲暗物质的性质，为此，我们需要一些预备知识。

以前曾经碰到过一脸稚气的小朋友问我：暗物质是不是反物质啊？大概现在的科幻作品里面很喜欢提到反物质引擎，于是反物质这个词出现的概率也很高。孩子的好奇心总是很强烈的，于是这个词他就记住了。一般人也很容易把反物质和暗物质搞混淆。

我这里明确回答一下，暗物质和反物质不是一回事。反物质是反粒子构成的。对于反粒子，物理学家们并不陌生。最早被发现的反粒子就是正电子。正常的电子带负电，但是反电子带的是正电，除此之外这两种粒子看不出什么区别。

看一看

大多数人都以为反物质只能出现在实验室中，不会出现在我们的日常生活中，其实并不是这样，我们每一个人都接触过反物质，甚至可以说，反物质无处不在。一个最常被引用的例子就是香蕉，不知道为什么，物理学家们非常喜欢用香蕉来举例子。香蕉里面含有钾元素，极少量的钾原子带有放射性，100克香蕉平均每秒钟会有15个钾原子发生衰变，发射出普通的带负电的电子。但是，这里大概有千分之一的概率会出现正电子。假如你手上握着一根香蕉，大约两小时之内就会有一个正电子打进你的手里。这个正电子要是碰到了普通的电子，就会发生正反粒子湮灭，变成了纯能量。当然，这种极其微小的能量，你是一点感觉也没有的。

那么有的人仍然有疑问，为什么有些元素会有放射性呢？为什么会发生衰变呢？原因就在于一种叫弱相互作用的物理现象，正是弱相互作用导致了某些原子核是不稳定的。与弱相互作用相对应的还有一个强相互作用。一般来讲，强相互作用会把原子核捆在一起，形成各种各样的元素。而弱相互作用则会导致原子核不稳定，发生衰变。

除了强、弱相互作用，还有电磁相互作用让原子能结合成分子，分子能结合成物质；另外还有一种相互作用就是我们最熟悉的万有引力，它保证了我们能稳稳当当地站在地球上，保证了地球绕着太阳转。

这四种基本的相互作用，或者说这四种基本的力，协同配合，就构成了我们看得见摸得着的物质世界。

好了，预备知识讲完了。你可能想问，这和我们的主题暗物质有什么关系呢？答案是大有关系。回答暗物质到底是个什么东西这样一个高深的问题，让天文学家来回答不合适，这事儿还得交给粒子物理学家去寻找答案。粒子物理学家们可以双管齐下，一方面用大型计算机进行模拟计算，另一方面也可以调用大型设备去做非常精密的实验。

现在粒子物理学家们提出了很多描述暗物质的理论，最有希望的一种版本叫作WIMPs模型，全称就是弱相互作用重粒子，后面为了讲解方便，我就把它简称为“暗粒子模型”。说白了，科学家们也在猜测，暗物质显然没有电磁相互作用，所以我们看不到它们，强相互作用恐怕也是没有的。但是，这种物质有引力，这是板上钉钉的事情。那么有没有弱相互作用呢？这成了了解暗物质的一个关键问题。很多物理学家猜测，暗物质应该也有弱相互作用。暗粒子模型描述的暗物质粒子运行速度不快，但是质量很大，粒子的运动速度决定了物质的温度，因此这种猜测下的暗物质也被叫作冷暗物质。

根据暗粒子模型计算出来的暗物质数量和天文观测计算出来的数量比较相符，数据匹配特别好，而且也和宇宙大爆炸理论相符合。所以，物理学家们把它称为“WIMPs奇迹”。大家喜欢这个理论的另外一个理由是，这个理论是可以用大型粒子加速器或者其他的办法去探测的，能够用实验去检测是一个可靠理论必备的特征。

欧洲核子研究中心有着世界上最大的对撞机LHC，在粒子对撞的过程中就有可能会生成暗粒子。但是目前LHC并没有探测到什么特别的迹象。看来想依靠对撞机，在实验室里面造出暗物质粒子是很难的，即便偶尔造出来了，恐怕也很难捕捉。这条路暂时是走不通的，还需要去想别的办法。

虽然暗粒子模型这种理论看上去很不错，但是它也有解决不掉的烦恼。把这个模型输入计算机，用大型超级计算机去模拟一种矮椭球星系的形成过程，发现计算出来的数值偏大。冷暗物质会导致星系变成一锅粥，显得非常稠密。可是天文观测到的矮星系并没有那么稠密。这么来看，似乎冷暗物质又是不对的。不过，在科学研究中，如果一个理论在解释大多数现象时都表现得很好，但是却遇到了一个反例，这时候科学家们通常不愿意推翻整个理论，而是想着能不能打一个补丁来解决。

于是，科学家们设想用另外一种理论来解释矮椭球星系的问题。在现在人们已知的粒子之中，有一种中微子，这种粒子非常轻，而且也不容易和别的物质发生相互作用，所以这种粒子可以轻松地穿透整个地球，如入无人之境。过去大家以为中微子是没有质量的粒子，后来发现，它的质量不为零，但是非常微小。中微子的质量起码比电子轻了上百万倍，现在只能估计出一个大致的数量级。中微子也有不同的种类，而且会变来变去，来回变身，因此中微子也是一个神秘莫测的家伙。

现在有些物理学家假设，暗物质粒子会不会是一种运动速度非常快的中微子呢？这也被称为“热暗物质”。他们把这个热暗物质模型拿到计算机里面去算，模拟矮椭球星系的形成过程，看看计算结果和实测数据是否匹配。结果发现这种热暗物质会导致星系变成一盘散沙，根本无法凝聚。看来，热暗物质的假说也遇到了很大的困难。

那么不冷不热的温暗物质行不行呢？经过大型计算机的模拟计算，不冷不热的温暗物质倒是可以形成矮椭球星系。但问题是，补了西墙，却拆了东墙，又有另外一些数据完全对不上了。

所以，到现在为止，暗物质的身份仍然是一个迷，我们依然缺乏一个很有效的理论模型去解释暗物质。暗物质似乎给粒子物理学家们设下了重重陷阱，你要想揭开暗物质神秘的面纱就不得不面对一个又一个的坑。这个坑你巧妙地化解了，说不定就掉进下一个坑里。你的理论对这个现象可以完美地解释，对那个现象则毫无办法。

有一小撮比较另类的科学家则在旁边窃笑不已，他们严守奥卡姆剃刀原理：“如无必要，勿增实体。”为什么一定要假想一种说不清道不明的暗物质呢？为什么只有添加了这种东西才能解释星系边缘恒星速度不正常的现象呢？难道你们就没想过对现有的引力理论下手吗？

这样的想法足够另类。到现在为止，以牛顿、爱因斯坦为首，科学家们历经数百年建立起来的理论大厦经受住了无数严苛实验的检验，但依然有一些科学家们怀着质疑精神。但是我必须告诉大家，科学的质疑与盲目质疑的区别在于，你不能只破坏不建设，为了质疑而质疑没有意义，你必须要提出一个更好的替代品。这些科学家就试图修正牛顿第二运动定律。

这一派科学家虽然人数很少，但是他们在物理学界依然很活跃。科学与宗教的区别在于，科学没有像圣经一样不可侵犯的教义，科学只讲逻辑和实证。不论是多数派还是少数派，任何科学理论必须经受全世界同行的评议。多数派科学家就认为那些修正牛顿动力学的努力有点像事后诸葛亮，他们纯粹是为了凑出一根曲线，强行给牛顿理论打了个补丁进去。

现在的情况是，主流科学界遵循久经考验的牛顿与爱因斯坦理论体系，但是不得不引入一个目前还看不见摸不着的新物质。而作为少数派的理论不需要引入暗物质，保持了系统的简洁性，但又对久经考验的牛顿定律下手。总之，科学家们处于两难的境地。

不过，到了2018年3月29日，著名的《自然》杂志刊登了一篇论文，展示了一个非同寻常的证据。我想，这个证据一出，恐怕少数不相信暗物质存在的人也打算投降了。那这个证据到底是什么呢？咱们下节揭晓答案。 v7BsJhymx7saP6XBgxOH4tdZ9PS8QqntsBIKUsUMDLbQbRxcCywpXcChBJjL5lnQ