出品：新浪科技《科學(xué)大家》、未來(lái)論壇
主講嘉賓：郁海波 美國(guó)加州大學(xué)河濱分校物理與天文系副教授、未來(lái)論壇青創(chuàng)聯(lián)盟成員
宇宙、世界的萬(wàn)世萬(wàn)物，在物理學(xué)大類里分成很多小類，有宇宙學(xué)、有天文學(xué)、有生物力學(xué)、有凝聚態(tài)物理、有核物理，再有基本粒子物理。暗物質(zhì)研究是非常特殊，它是介于粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)之間的一門(mén)學(xué)問(wèn)，是跨學(xué)科的研究。
恒星的尺度大概是10的11次方米，有上千億顆恒星會(huì)組成一個(gè)星系，這個(gè)星系尺度大概是在10的21次方米。上千個(gè)星系可以組成星系團(tuán)，星系團(tuán)尺度10的23次方米。星系團(tuán)是人類所觀測(cè)到的由自我引力形成的結(jié)構(gòu)。所有的星系團(tuán)和時(shí)空加起來(lái)，就是我們所觀測(cè)到的宇宙。
暗物質(zhì)存在最早的證據(jù)來(lái)自于瑞士和美國(guó)物理學(xué)家弗里茨·茲威基，他在上個(gè)世紀(jì)30年代做出了非常重要的工作，他做了什么樣的事情？他選擇了一個(gè)星系團(tuán)進(jìn)行了觀測(cè)，他發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)里面星系的速度，運(yùn)動(dòng)的非?？欤瑥母咧械奈锢韺W(xué)知道，如果一個(gè)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，那么它的動(dòng)能應(yīng)該跟勢(shì)能比較接近，勢(shì)能是由所有的質(zhì)量決定，如果它只考慮所有可見(jiàn)物質(zhì)，它會(huì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)能比勢(shì)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大。這些星系速度太快，可以飛離星系團(tuán)。但事實(shí)上觀測(cè)到，所有星系都在星系團(tuán)運(yùn)動(dòng)，他做了一個(gè)非常大膽的假設(shè)：有可能在星系團(tuán)中，我們有看不見(jiàn)的物質(zhì)提供了額外的引力把星系拉在了一起，他就把它叫做暗物質(zhì)。
這是一個(gè)非常有意思的假設(shè)，但是在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里面沒(méi)有得到重視。我想有非常多的原因：因?yàn)樗翘觳偶?jí)人物，他做這樣的預(yù)言，同時(shí)代的人不一定跟得上他的思路；還有一個(gè)有意思的原因，我想他是一個(gè)非?？瘫〉娜耍?jīng)常給他同事們起外號(hào)，比如說(shuō)很多同事他叫做混蛋，叫做球狀的混蛋?；斓耙呀?jīng)很刻薄了，為什么要叫球狀的混蛋？因?yàn)椴还軓哪膫€(gè)角度看，他的同事都是一個(gè)混蛋，因?yàn)榍蚴怯傻膶?duì)稱性，不管從哪個(gè)角度看，這個(gè)球都是一個(gè)球形的。
這個(gè)問(wèn)題在70年代得到了非常大的重視，這里重要的工作是由美國(guó)的女天文物理學(xué)家薇拉·魯賓完成的。她選擇了一些旋轉(zhuǎn)星系來(lái)進(jìn)行仔細(xì)的觀察，就像銀河系是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的星系，大概有2000億顆恒星。它們都會(huì)繞著星系的中心旋轉(zhuǎn)，所以天文觀測(cè)中可以每一點(diǎn)，可以觀測(cè)它旋轉(zhuǎn)的速度，觀測(cè)的結(jié)果就是由黃線所示。
這個(gè)很奇怪，因?yàn)楦鶕?jù)牛頓萬(wàn)有引力，星系的旋轉(zhuǎn)速度是由質(zhì)量和距離一起決定的。因?yàn)樾D(zhuǎn)星系基本上所有的質(zhì)量都集中在星系的中間，所以越到很外面，恒星旋轉(zhuǎn)的速度就會(huì)越來(lái)越低，就像綠色這條線所顯示。事實(shí)上不是這樣的，事實(shí)上觀測(cè)到的是接近于一個(gè)常數(shù)，那就意味著其實(shí)在星系里，有很多物質(zhì)我們是看不到的，它們給這些外圍的恒星提供了足夠多的引力把它拉在一起。
我們可以從上圖左下角里看例子。這個(gè)媽媽跟小孩在玩甩人的游戲，如果小朋友甩的快，旋轉(zhuǎn)速度快，媽媽就需要用更大的力把他拉在一起，否則小孩就會(huì)甩到外面去，這是一個(gè)非常形象的例子來(lái)理解天文學(xué)的觀測(cè)現(xiàn)象。
還有一個(gè)重大的突破在上個(gè)世紀(jì)末期和本世紀(jì)初，是宇宙學(xué)的觀測(cè)：所謂宇宙微波背景輻射的觀測(cè)。我們知道現(xiàn)在宇宙的年齡是137億年左右，上面這張照片是顯示宇宙還在嬰兒時(shí)期溫度的分布，那個(gè)時(shí)候宇宙有38萬(wàn)年的年齡，聽(tīng)起來(lái)很長(zhǎng)，但是跟總年齡比起來(lái)是嬰兒時(shí)期。這張圖是溫度的分布，總體溫度的分布是比較均勻的，實(shí)際上你又看到有不均勻的地方，有一些地方比較黃，就表明溫度比較高，有的地方溫度比較低，就是藍(lán)色。從數(shù)學(xué)上講，漲落大概是10的負(fù)5次方左右，是非常非常小的漲落，大家覺(jué)得很奇怪，為什么宇宙在那個(gè)時(shí)候的溫度分布不是均勻的。
宇宙溫度漲落暗示存在暗物質(zhì)
后來(lái)物理學(xué)家了解到要解釋這樣的溫度的漲落，有一個(gè)必須的假設(shè)就是這個(gè)宇宙中，其實(shí)存在著暗物質(zhì)，溫度的漲落反映了宇宙暗物質(zhì)的分布在那個(gè)時(shí)候是不均勻的，暗物質(zhì)密度的漲落是10的負(fù)5次方左右，這就完美的解釋觀測(cè)到的現(xiàn)象。
這是一個(gè)極其重要的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們能夠很精確的知道暗物質(zhì)在宇宙中的組分，右邊這張圖展現(xiàn)宇宙中不同的重要的組分。暗物質(zhì)大概占了27%質(zhì)量能量的總和，所有的可見(jiàn)物質(zhì)，包括所有的恒星氣體，我們看到的世界，只占了5%的成分，接下來(lái)大概有68%的那部分叫暗能量。從這個(gè)觀測(cè)我們知道，宇宙中95%的東西，我們都是看不到的，沒(méi)有任何關(guān)于它們細(xì)節(jié)的信息。我們只能直接觀測(cè)到5%的可見(jiàn)的物質(zhì)，所以我們對(duì)整個(gè)宇宙非常無(wú)知。
從宇宙的尺度，我們?cè)诨氐姐y河系的尺度，左邊這張圖展現(xiàn)了銀河系里兩千億顆恒星分布的狀況，它都是在一個(gè)類似于圓盤(pán)一樣的結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)。那么右邊這張圖，其實(shí)就顯示了如果你把暗物質(zhì)這個(gè)結(jié)構(gòu)加上去，這個(gè)圖象應(yīng)該是這個(gè)樣子的，就是兩千億顆恒星，大概都集中在非常中間的地方，這些恒星生活在暗物質(zhì)暈這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)里頭。這個(gè)結(jié)構(gòu)它的質(zhì)量比所有的恒星加起來(lái)都還要重30倍，所以在銀河系中，質(zhì)量的物質(zhì)其實(shí)是暗物質(zhì)，而不是恒星，不是氣體，不是我們看到的山和世界。
暗物質(zhì)的密度非常非常低，比如說(shuō)考慮我們生活的銀河系周?chē)?。我們知道暗物質(zhì)的質(zhì)量是不知道的，假定暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量是質(zhì)子的100倍，一個(gè)茶杯里，估計(jì)就有一個(gè)暗物質(zhì)粒子，所以它的密度是極其低下的，接近于真空。但是暗物質(zhì)的速度很大，它在太陽(yáng)系周?chē)悦棵?00公里的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
這張圖展現(xiàn)了整個(gè)宇宙演化的歷史，在宇宙起源于一次非常非常劇烈的大爆炸，之后宇宙急劇膨脹，宇宙慢慢的冷卻，中間會(huì)形成不同的結(jié)構(gòu)，比如說(shuō)星系，比如說(shuō)太陽(yáng)系、地球、月亮等等等等，總共宇宙的年齡是137億年。我們很難想象，大多數(shù)人很難想象，科學(xué)家能把這個(gè)測(cè)的如此的精確。
宇宙演化中，暗物質(zhì)扮演重要角色
現(xiàn)代科學(xué)告訴我們，在漫長(zhǎng)宇宙演化的歷史中，暗物質(zhì)扮演了關(guān)鍵的角色。你會(huì)說(shuō)暗物質(zhì)看上去很重要，但是跟我們的生活有什么關(guān)系？其實(shí)有一個(gè)很有趣的關(guān)聯(lián)，我在這里可以闡述一下，比如說(shuō)人類的生存，依賴于很多礦物質(zhì)和微量元素，比如說(shuō)鈣、錳、鋅、鈉，但這類元素并不能在宇宙早期演化的時(shí)候和合成，只是在很晚的時(shí)候，主要由一個(gè)很特殊的天文事例才能合成這些元素，這個(gè)事例就叫超新星爆發(fā)。
什么叫?爆發(fā)？類似于像一顆太陽(yáng)這樣的恒星，在晚期的時(shí)候，由于原子核反應(yīng)和引力相互作用會(huì)發(fā)生爆炸，在爆炸的時(shí)候，就會(huì)合成這些元素。即便能合成這些元素，這些元素產(chǎn)生的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的速度，這些速度很大，足以分離超新星，變成星際的塵埃，如果沒(méi)有暗物質(zhì)。有暗物質(zhì)存在，暗物質(zhì)會(huì)提供足夠多的引力，把這些粒子吸回來(lái)。所以這些礦物的粒子就會(huì)在銀河系里進(jìn)行回收，再在地球上進(jìn)行富集，這就給我們?nèi)祟愄峁I(yíng)養(yǎng)。所以有句玩笑的話，人類起源于宇宙的星辰，但是暗物質(zhì)能呵護(hù)你我的健康。
我們講了宇宙大尺度的結(jié)構(gòu)，我們講了從宇宙大尺度的結(jié)構(gòu)中得出暗物質(zhì)存在的結(jié)論，我們現(xiàn)在來(lái)講一講小尺度的前沿問(wèn)題。左邊這張圖展示了一個(gè)原子的結(jié)構(gòu)，我們知道原子由電子和原子核組成，但是原子核不是基本粒子，原子核由質(zhì)子和中子組成，但是質(zhì)子和中子也不是基本粒子，因?yàn)樗麄冇煽淇私M成。
右邊這張圖展示了人類目前所知道所有的基本粒子可以排列的非常漂亮的結(jié)構(gòu)，從豎下來(lái)的角度看，第一豎上夸克、下夸克、電子、中微子，這些粒子叫所謂物質(zhì)粒子，因?yàn)樗鼈兪墙M成我們所知道的物質(zhì)的基本粒子。我們看到物質(zhì)粒子，上面兩個(gè)粒子叫上夸克和下夸克，再下面是電子，還有電子中微子，這樣的物質(zhì)粒子有三代組成我們所知道的基本粒子世界。紅色的粒子叫媒介粒子，它們傳遞相互作用的。最后一個(gè)黃色所謂上帝粒子，是最近2012年才被發(fā)現(xiàn)的。這兩位物理學(xué)家因此，獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。但是這個(gè)粒子是在上個(gè)世紀(jì)60年代，是他們預(yù)言的，所以花了大概40、50年的時(shí)間，才把它找到。從這個(gè)例子看出來(lái)科學(xué)是一件非常不容易的事情。
我們?cè)賮?lái)講一下基本和相互作用在宇宙中我們知道了有四種基本相互作用，有引力相互作用，有電磁相互作用，有強(qiáng)相互作用和弱相互作用。我們對(duì)這第一兩種相互作用其實(shí)比較熟悉，但是我們不一定熟悉弱相互作用，其實(shí)弱相互作用是負(fù)責(zé)粒子衰變 。強(qiáng)相互作用就是把夸克綁在一起，形成了原子核。
現(xiàn)代物理看相互作用是由相互作用粒子進(jìn)行傳遞，所以我把這些傳遞的粒子都放在右邊的圖上，比如說(shuō)我們?cè)诟咧械臅r(shí)候就學(xué)到電子之間，會(huì)有庫(kù)侖相互作用，為什么會(huì)有庫(kù)侖相互作用？現(xiàn)代物理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，是因?yàn)樗麄兡芙粨Q光子，電磁相互作用是通過(guò)光子來(lái)進(jìn)行傳遞的。
所有關(guān)于粒子的性質(zhì)、相互作用，其實(shí)可以寫(xiě)成一個(gè)非常非常簡(jiǎn)單的公式，在茶杯上面只有短短的四行，因?yàn)楹芏蹋阅阍瓌t上可以把它寫(xiě)成一行都可以，看起來(lái)這個(gè)世界基本規(guī)律是非常非常簡(jiǎn)單的。
如果你把短短的一行完全展開(kāi)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)是很長(zhǎng)很長(zhǎng)的，你寫(xiě)一頁(yè)紙，如果把這些公式讓你抄下，你大概需要花半個(gè)小時(shí)的時(shí)間。雖然這個(gè)很長(zhǎng)，但是你想一下不是很復(fù)雜，為什么？因?yàn)檫@樣的公式描述了宇宙中所有發(fā)現(xiàn)的基本粒子的相合作用，我們似乎知道宇宙中最深最深的奧秘。在這個(gè)理論的發(fā)展過(guò)程中，華人的物理學(xué)家作出杰出的貢獻(xiàn)，所以我在這里列了幾位，在50年代的時(shí)候，李政道和楊振寧先生就預(yù)言，弱相互作用只在左手粒子上有作用，一年之后由華裔物理學(xué)家吳健雄先生帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)把它證實(shí)。所以李楊兩位在50年代就拿了諾貝爾獎(jiǎng)。
上圖右下角是楊振寧先生和他的合作者米爾斯先生的合照。他們?cè)?0年代就提出，相互作用是由對(duì)稱性來(lái)支配的，聽(tīng)起來(lái)比較復(fù)雜，比較抽象，不知道什么意思，但是這么簡(jiǎn)單的一句話，它的意義及其重大，意味著所有的基本的相互作用可以用很簡(jiǎn)單的方式來(lái)把它寫(xiě)下來(lái)，所以楊先生的楊·米爾斯場(chǎng)論的工作是現(xiàn)代物理學(xué)的奠基之作，意義不下于牛頓、愛(ài)因斯坦的工作。
我們既講了大尺度的宇宙演化，又講了小尺度粒子的構(gòu)成和特征，我們把這兩樣?xùn)|西擺在一起，看一看情況是怎么樣的。要成為一個(gè)暗物質(zhì)，粒子必須滿足三個(gè)最基本的條件，一個(gè)是粒子必須要比較暗，沒(méi)有電磁相互作用，否則就能找到它，它要比較穩(wěn)，因?yàn)橛钪娴哪挲g很長(zhǎng)，所以比較穩(wěn)定才可以。粒子要比較冷，要形成結(jié)構(gòu)，如果跑的太快，就不能形成結(jié)構(gòu)。
這樣三條最基本的特性，你會(huì)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有一個(gè)我們所知道的粒子滿足這三個(gè)條件，在歷史上最有可能成為暗物質(zhì)的侯選粒子是中微子，只有弱相互作用，也是穩(wěn)定的，但是質(zhì)量太小，而且“溫度”太高了。這是一件非常有意思的事情，我們?cè)谟钪鎸W(xué)里面，我們就知道暗物質(zhì)需要存在，但是在基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型里面，沒(méi)有暗物質(zhì)的侯選粒子。這樣問(wèn)題就比較嚴(yán)重，在我看來(lái)這兩個(gè)模型都是作為人類文明高成就的模型，但是它們是不自洽的，所以非常有意義， 是一個(gè)重大的問(wèn)題，因?yàn)槟阌袃蓚€(gè)很成功的理論，你把它放在一起，它們是不自洽的，對(duì)我們來(lái)說(shuō)特別是年輕的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。
要解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)趺崔k？作為一個(gè)理論家，其實(shí)很簡(jiǎn)單，你就加一個(gè)新的粒子，來(lái)假定粒子就是暗物質(zhì)粒子，你看一下它跟我們所知道的粒子可能會(huì)有什么樣的相互作用。肯定有引力的作用，因?yàn)榕ｎD萬(wàn)有引力告訴我們，只要有質(zhì)量就有引力，不可以有電子相互作用，因?yàn)榘滴镔|(zhì)是比較暗的，你看不到它，不可以有強(qiáng)相互作用。也許還可能有弱相互作用，因?yàn)檫@個(gè)想法最初在70年代的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)的限制還不是很強(qiáng)，大家認(rèn)為它可以有弱相互作用。
這個(gè)理論就叫做弱相互作用質(zhì)量粒子理論，你加了一個(gè)有質(zhì)量的粒子，帶的弱相互作用，這就是所謂弱相互作用粒子。這個(gè)理論統(tǒng)治了物理學(xué)界接近了30年-40年。為什么大家對(duì)這個(gè)理論特別感興趣，原因是這樣的，因?yàn)樗鼣y帶弱相互作用，所以原則上我們可以把這個(gè)粒子在實(shí)驗(yàn)室中找到。
三種方法探測(cè)暗物質(zhì)
目前關(guān)于暗物質(zhì)所有的證據(jù)都是來(lái)自天文，如果能在實(shí)驗(yàn)室中找到這樣的粒子就很有意義，正因?yàn)樗鼛跸嗷プ饔?，所以我們可以用不同的渠道?lái)尋找它。
總體上有三類不同的辦法，一類叫直接探測(cè)，所謂叫搖晃它，意思就是暗物質(zhì)粒子可以跟可見(jiàn)物質(zhì)粒子碰撞產(chǎn)生信號(hào)。另外一個(gè)叫非直接探測(cè)，兩個(gè)暗物質(zhì)粒子會(huì)碰在一起，湮滅產(chǎn)生可見(jiàn)物質(zhì)粒子。你可以把兩個(gè)可見(jiàn)物質(zhì)粒子撞在一起產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，這個(gè)就是為產(chǎn)生它。這是用對(duì)撞機(jī)來(lái)尋找暗物質(zhì)的一個(gè)辦法。
接下來(lái)我們來(lái)把每一個(gè)這樣的過(guò)程簡(jiǎn)單的討論一下，我們?cè)儆懻撘幌氯澜鐬檫@些探測(cè)建了怎么樣的實(shí)驗(yàn)室。我們先來(lái)看一下直接探測(cè)，直接探測(cè)的想法就是你把一個(gè)探測(cè)器放在地底下，然后等待暗物質(zhì)粒子來(lái)撞擊原子核，撞擊了原子核之后，原子核會(huì)進(jìn)行反沖，所以因?yàn)榘滴镔|(zhì)粒子會(huì)把它的能量傳遞給原子核粒子，那么如果你能把反沖的信號(hào)記錄下來(lái)，那你就探測(cè)到一個(gè)暗物質(zhì)粒子。為什么要把探測(cè)器放在地底下，那是因?yàn)檫@樣的實(shí)驗(yàn)非常難做，例數(shù)太少，宇宙線就會(huì)產(chǎn)生很多干擾，放在地底下，我們可以用巖石來(lái)屏蔽宇宙線的干擾。
這個(gè)聽(tīng)起來(lái)好像很熟悉，因?yàn)槲覀冃r(shí)候都讀過(guò)守株待兔的故事，因?yàn)楣糯臅r(shí)候有一個(gè)農(nóng)夫，他做了一個(gè)樹(shù)樁，他躺在樹(shù)樁旁邊睡覺(jué)，等待兔子撞在樹(shù)樁上，他可以拿回家。那么暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)非常像守株待兔的故事，科學(xué)家建一個(gè)探測(cè)器，放在地底下，等著暗物質(zhì)兔子撞在探測(cè)器上面。當(dāng)然我們跟農(nóng)夫比，科學(xué)家是非常勤奮的。
關(guān)于暗物質(zhì)探測(cè)，在全世界有極其厲害的競(jìng)爭(zhēng)?？梢哉f(shuō)是暗物質(zhì)直接探測(cè)全球爭(zhēng)霸賽，我們有北美的，有中國(guó)的，有日本的，有韓國(guó)的，還有南極的。特別是在中國(guó)這里會(huì)比較多講一點(diǎn)，這是在四川的實(shí)驗(yàn)室，這里有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的熊貓實(shí)驗(yàn)，另外一個(gè)是由清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，接下來(lái)我會(huì)簡(jiǎn)單講一下這些實(shí)驗(yàn)的情況。
我們來(lái)講一下熊貓暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)最近十年才發(fā)展起來(lái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)由上海交大的季向東教授和劉江來(lái)教授領(lǐng)導(dǎo)。左下角是實(shí)驗(yàn)的示意圖，一個(gè)暗物質(zhì)粒子，就是一個(gè)弱相互作用粒子跑來(lái)，跟原子核發(fā)生碰撞的時(shí)候，它會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，它會(huì)產(chǎn)生光信號(hào)，也會(huì)產(chǎn)生電子的信號(hào)，如果把這兩個(gè)信號(hào)記錄下來(lái)，表明有暗物質(zhì)探測(cè)到了。右邊這個(gè)圖，探測(cè)器的樣子用的是氙氣，就是惰性氣體，把液化的氣體放在探測(cè)器里面。
熊貓實(shí)驗(yàn)在短短的幾年內(nèi)，就成為世界上最靈敏的探測(cè)器之一，在幾次領(lǐng)先世界，在暗物質(zhì)探測(cè)方面，這是非常動(dòng)人的故事。組里有一個(gè)學(xué)生叫談安迪，他畢業(yè)的時(shí)候?qū)懥艘黄恼陆小拔迥昵啻撼蔀橐幻降锥慈恕保陀涗浟宋迥旯ぷ鞯那闆r，極其辛苦。他在那里講一句話就是“不曾哭過(guò)長(zhǎng)夜的人，不足以語(yǔ)人生”。所以我建議同學(xué)可以去網(wǎng)上找一下他的這篇文章，我看了也很感動(dòng)。
為什么這么困難，因?yàn)槟阋鍪澜缟献詈玫膶?shí)驗(yàn)，最好的結(jié)果，建世界上最靈敏的探測(cè)器，要達(dá)到這樣的目標(biāo)是極其困難的，比如說(shuō)氣體你要進(jìn)行提純，這個(gè)純度要很高很高，我把這個(gè)數(shù)字列在上面，百分比的小數(shù)點(diǎn)后面還有8個(gè)0，要達(dá)到這樣的條件是極其困難的。
講完了直接探測(cè)，我們?cè)賮?lái)講一下對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)，世界上的基本粒子對(duì)撞機(jī)是在瑞士和法國(guó)的邊界，在日內(nèi)瓦的郊區(qū)，叫大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。在這個(gè)圖里畫(huà)的圈就是對(duì)撞機(jī)的軌道，對(duì)撞機(jī)會(huì)把自己對(duì)撞到接近于光速的程度。根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論我們知道，如果有質(zhì)量，粒子有質(zhì)量，是不可能真正達(dá)到光速的，但可以非常非常接近于光速。
因?yàn)樵谶@個(gè)理論里頭，暗物質(zhì)粒子攜帶了弱相互作用，所以我們可以想象一下你對(duì)撞兩個(gè)質(zhì)子的時(shí)候，就有可能產(chǎn)生一個(gè)暗物質(zhì)，通過(guò)弱相互作用。但是這里有一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵谶@個(gè)理論里暗物質(zhì)只攜帶弱相互作用，你這邊能產(chǎn)生它的時(shí)候，也不會(huì)在探測(cè)器上留下任何的蹤跡。在中國(guó)古代有輕功好的人，叫踏雪無(wú)痕，因?yàn)榧幢惝a(chǎn)生的時(shí)候，它會(huì)逃離探測(cè)器，不會(huì)留下任何蹤跡，所以是非常難探測(cè)的一件事情，我們需要想一個(gè)辦法。
這個(gè)辦法也是很簡(jiǎn)單，我們?cè)诟咧欣飳W(xué)過(guò)物理學(xué)的知識(shí)，我們知道對(duì)一個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，物理的過(guò)程來(lái)說(shuō)，能量和動(dòng)量是守恒的，所以我們可以想像，在碰撞過(guò)程中，質(zhì)子或者夸克會(huì)輻射出一個(gè)光子來(lái)，所以最后的信號(hào)是兩個(gè)質(zhì)子對(duì)撞，產(chǎn)生兩個(gè)暗物質(zhì)粒子，一個(gè)光子，光子我們能測(cè)的，兩個(gè)初始的質(zhì)子我們也能測(cè)，我們測(cè)到這些粒子之后，可以測(cè)出動(dòng)量和能量。通過(guò)能動(dòng)量守恒，我們就知道有沒(méi)有暗物質(zhì)粒子在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生。在十年前我自己就做過(guò)這方面的工作，所提的建議得到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的廣泛采用。
暗物質(zhì)如何進(jìn)行非直接探測(cè)，這個(gè)想法就是兩個(gè)暗物質(zhì)粒子會(huì)碰在一塊，湮滅產(chǎn)生可見(jiàn)物質(zhì)，像光子、電子等等。因?yàn)槲覀兊你y河系就生活在暗物質(zhì)暈里頭，所謂暗物質(zhì)到處都是，如果湮滅的過(guò)程能產(chǎn)生可見(jiàn)物質(zhì)，我們就能探測(cè)到暗物質(zhì)。
科學(xué)家到各地各處來(lái)建暗物質(zhì)探測(cè)的實(shí)驗(yàn)室。比如說(shuō)美國(guó)的科學(xué)家去了南極，做了一個(gè)冰立方探測(cè)器，怎么做？就是你在冰層挖大概2.5公里的洞，在洞里放一個(gè)探測(cè)器，探測(cè)什么？探測(cè)所謂中微子，中微子粒子跑過(guò)冰層的時(shí)候，和冰層里的物質(zhì)相互作用，間接會(huì)產(chǎn)生光子，光子就會(huì)被探測(cè)器接收到。
上圖是國(guó)際空間站的實(shí)驗(yàn)，由華人物理學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)，他把探測(cè)器放在了國(guó)際空間站上面，探測(cè)器能夠探測(cè)電子和光子的信號(hào)，如果暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生電子和光子，這個(gè)探測(cè)器就會(huì)非常敏感。
還有中國(guó)本土的實(shí)驗(yàn)，南京紫金山天文臺(tái)的常進(jìn)教授領(lǐng)導(dǎo)的悟空暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，在這里探測(cè)器就放在衛(wèi)星上面，它也是能尋找高能的電子和光子，如果暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生這些粒子，悟空的探測(cè)器就能探測(cè)到。
我們對(duì)暗物質(zhì)粒子的搜索已經(jīng)經(jīng)歷了30年-40年的時(shí)間，到現(xiàn)在為止我們還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中探測(cè)到暗物質(zhì)粒子的蹤跡。所有關(guān)于暗物質(zhì)存在的證據(jù)都來(lái)自天文和宇宙學(xué)的觀測(cè)，那么我發(fā)現(xiàn)在中國(guó)詩(shī)人白居易的長(zhǎng)恨歌里有一句話，能夠非常好的描述當(dāng)下的情況，這句話叫“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見(jiàn)”?？茖W(xué)家在尋找暗物質(zhì)的時(shí)候，上天下地，找了好久我們都還沒(méi)有找到。
人類在面對(duì)宇宙未知的時(shí)候，是不會(huì)放棄探索的努力，特別是科學(xué)家，因?yàn)槲覀儗?duì)宇宙實(shí)在是知道的太少了，我們只知道5%的粒子是由可見(jiàn)物質(zhì)組成的，宇宙中95%都是不知道的，其中27%是暗物質(zhì)。所以我們會(huì)不停的努力往前。我想在過(guò)去十年或者今后十年、二十年會(huì)在四個(gè)比較重要的方面突破，一個(gè)突破是理論的突破，我們過(guò)去30-40年尋找暗物質(zhì)的設(shè)計(jì)都是基于弱相互作用粒子的理論，那么現(xiàn)在我們應(yīng)該拓寬我們的視野。在天文學(xué)中，我們應(yīng)該發(fā)展更高分辨率的天文觀測(cè)，能來(lái)仔細(xì)的研究恒星和氣體的運(yùn)動(dòng)，知道更多的暗物質(zhì)的性質(zhì)。從實(shí)驗(yàn)的角度上來(lái)說(shuō)，我們需要建立更大的探測(cè)器，需要更深的實(shí)驗(yàn)室。
這張圖的中間，在現(xiàn)代世界上最重要的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室的深度，有美國(guó)的好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室，有日本的，有加拿大的等等。那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)看最右面的時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)世界上最深的實(shí)驗(yàn)室是在哪里，是在中國(guó)四川的錦屏實(shí)驗(yàn)室，希望中國(guó)在探測(cè)暗物質(zhì)前進(jìn)的道路上，做出更大的貢獻(xiàn)。
注：本文根據(jù)郁海波在未來(lái)論壇演講整理而來(lái)，有刪減，圖片由作者提供。
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