探测暗物质

上一节讲到了暗物质理论和修正牛顿动力学之间的争论。一般来讲，要提出一个新的理论来取代旧理论，需要满足几个要求：

1.新理论必须能够复制旧理论所有的成功之处。

2.新理论必须能够解释新的现象，否则也没有提出新理论的必要了。

3.最重要的是新理论必须有预言能力，并且能够在实验和观测上被验证。

修正牛顿动力学理论虽然支持的人很少，但是这个理论仍然是在科学方法论的框架之内提出来的，也可以用科学方法去验证。修正牛顿动力学可以很好解释星系里恒星的运动速度异常这方面，但是其他方面都不尽人意。不过，几十年来，这个理论并没有完全退出历史舞台。

哪知道，2018年3月的一个消息，估计要让支持修正牛顿动力学的人哭晕在厕所里了。来龙去脉是这样的：天文学家研究了一个不起眼的星系，编号为NGC1052-DF2，后面我们简称1052星系。测算下来，这个星系的引力质量和光度学质量相差无几。这意味着什么呢？这意味着，如果按照暗物质理论来解释的话，一句话就可以了，这说明该星系基本不含暗物质。

看一看

但是修正牛顿动力学理论就遇到了大麻烦，因为这个理论否定了暗物质的概念，而修改了最基础的牛顿动力学理论，目的是为了解释为什么按照之前的观测结果，所有的星系的动力学质量都要远远大于光度学质量。如果这个理论是对的，那么就不能出现例外。但是，现在偏偏1052星系就是首个被天文观测到的例外。可以说，这个理论遭到了致命的打击。

相反，1052这样的星系用暗物质理论非常好解释，这个星系的引力质量和光度学质量相差无几。那就等于说这个星系暗物质基本不存在，所以外围恒星旋转的速度符合现有的物理学法则。这等于是用“不存在证明了自己的存在”。

在历史上，为了解释观测到的自然现象，几乎都会同时出现很多竞争的理论，例如托勒密、第古、哥白尼的天体运行模型。即便到了今天，在科学界依然存在与广义相对论竞争的理论。不过，科学与哲学、艺术、文学等其他学科有一个最大的区别：其他这些学科，往往讲究的是求同存异，百花齐放，没有绝对的正确与错误，但是，科学理论的赢家只能有一个。几乎每一个教科书上的公式都是经过了激烈竞争后的胜出者。

目前看来，暗物质理论更加可靠，能解释的现象也更多。但是，问题仍然困扰着大家——暗物质究竟是什么？理论物理学家们仍然在不断提出模型，修改模型，然后动用计算机去计算。而另一些实验物理学家则把注意力放到了其他地方。

实验物理学家在思考如何能探测到暗物质粒子。大家或许有疑问，现在连暗物质粒子是什么，有哪些性质都不知道，该如何去找呢？似乎一点可靠的线索都没有。

当然，即便是猜想也要有个逻辑的起点。目前科学家们是以WIMPs理论为基础的。上节我们讲过，这个理论把暗物质粒子描述成一种具有引力，有弱相互作用的非常重的粒子。科学家们猜测，WIMPs粒子，自己就是自己的反粒子。假如两个这样的粒子发生碰撞，就会发生湮灭现象，这也就为我们探测暗物质粒子提供了可能性。

现在探测宇宙里面各种粒子的太空探测器有那么几个：一个是装在国际空间站的Alpha磁谱仪；一个是帕梅拉探测器；还有费米卫星和我国发射的悟空号探测器。几个探测器的数据都可以相互对照印证。

名气最大的是装在国际空间站上的Alpha磁谱仪，领衔担纲的科学家是著名的诺贝尔奖得主丁肇中。这个探测器是国际协作的产物，其中高强磁铁是我国提供的。中国的高强磁铁是全世界最好的，F-35战斗机上也在用。

丁肇中在世界科学界的威望极高。本来NASA的航天飞机需要全部退役，但是丁肇中说服NASA在2011年再执行了一次航天飞机任务，把Alpha磁谱仪送进了国际空间站。这个探测器无法作为一个独立的卫星运行，因为太阳能电池板供电不够用，只有国际空间站太阳能电池板面积够大，能提供足够的电力。只有航天飞机有能力把这么重的探测器扛到国际空间站上。没办法，退休前航天飞机只好再加班多飞一趟。

根据理论猜想，暗物质粒子在太空里相互湮灭会释放出反电子和反质子。虽然我们看不到暗物质粒子，但是我们能够看到它们留下的脚印。Alpha磁谱仪主要关注的是反电子，经过一年多的观测，它收集了680多万个电子和反电子，其中反电子有40万个，这些粒子的能量都非常大。

经过和帕梅拉卫星以及费米卫星数据的比对，大家认为，在10GeV能量段以上的反电子多得不正常，可能是暗物质粒子互相湮灭留下的脚印。统计曲线上明显出现了一个大鼓包，这就是实测数值与理论预期的偏差。

就在2017年年底，我国的悟空号探测卫星的数据也发布了。悟空号的能量探测范围比费米卫星和Alpha磁谱仪都要宽得多。在更高的1.4TeV能量段上，发现了特殊的峰值。这是非常令人惊奇的事情。

这么描述大家可能还是不太懂。没关系，我们还用打比方的方式来讲。比如说小镇里家家户户都是独生子女家庭，周末举办亲子活动，爸爸妈妈带着孩子都在海边沙滩上搞聚会。我们根据人口结构可以预计，成年人的脚印是孩子的两倍。成年人的脚都差不多大小，孩子的脚印有大有小，应该是平均分布的。这就是我们根据已知的情况推断出来的一个预期。

可是我们真的到现场去数一下脚印，发现完全超出了我们的预期。现场出现了一大串巨大的脚印。这种脚印不像是小镇上任何人的。那么只能判断，一定是有一大群大个子来过现场，脚印就是他们留下的。可是，聚会的现场并没有人看到过有奇怪的人出现。那么我们只能判断，他们是隐身人，也就是说，现场存在一些看不到的大个子隐身人，他们留下了自己的脚印。这种大个子的隐身人就好比是暗物质粒子。

按照科学家们一贯的严谨态度，他们表示，多出来的这些高能反电子疑似是来自于暗物质。不过，这种探测方式依然只能算是间接证据。

那么能不能直接抓到这些暗物质粒子呢？毕竟暗物质应该就在我们的身边。办法也是有的。在意大利大萨索山的一个地下隧道里面，有一群科学家正守在探测器的旁边等着暗物质粒子撞上门来，这有点像守株待兔。我国在四川锦屏山的地下隧道里，也有两个大型探测装置在蹲坑守候。

上海交大主导的PandaX计划动用了一大罐液态氙。科学家们预测，假如真的有暗物质粒子撞上来，撞到了氙元素的原子核上，就会发出一个闪光，超高灵敏的光电探测器就能探测到这个闪光。清华大学主导的暗物质探测器则采用了超低温的锗晶体，原理也差不多，也是等着暗物质粒子撞到锗元素的原子核上。意大利大萨索山底下隧道里的暗物质探测器用的是碘化钠晶体。

那为什么探测暗物质粒子要跑到深深的隧道或者矿井中呢？这是为了屏蔽外界各种各样的粒子。因为能穿透上千米厚的岩石来到地下实验室的粒子，也就只有神秘莫测的暗物质粒子和“鬼鬼祟祟”的中微子了。所以中微子的实验，多半也是在地下深坑里做的。

前一段时间，意大利人放出一些消息，地下探测器也已经有些进展了。经过6年的数据积累，他们发现探测到的信号与季节有关系。季节变化来自于地球绕着太阳运动。难道太阳系里的暗物质分布是不均匀的？地球转到轨道这一头浓度大一些，转到轨道那一头浓度小一些？可是还是有不少科学家对他们提出了质疑。毕竟这样的关联未免有些牵强了，证据还严重不足。

总之，到现在为止，我们只知道暗物质真的是一种物质，它具有引力作用，可能具有弱相互作用。寻找暗物质就像一次全世界协作的大规模的犯罪现场勘查，每个团队各领取一块区域进行仔细地排查，等到把所有的区域都排查完了，罪犯的蛛丝马迹一定是能被找到的。只是，到现在为止，暗物质仍然是一个宇宙未解之迷。不过，我有信心能在有生之年看到谜底。

我找了一个与Alpha磁谱仪相关的视频，这个视频是2012年欧洲宇航局为了纪念它发射进入轨道一周年而制作的。你可以在我的微信公众号“科学有故事”中，回复关键词“AMS”，回复完就可以观看了。 v1aep7gHATm6aNMMmygge3nYCNNs8Nj5ALWBBABSvfYvcx8MHVvIfOdGqUkjs1ga