上篇文章里我們說到，有一小撮比較另類的科學(xué)家們，不愿意假想一種說不清道不明的“暗物質(zhì)”，而是試圖修正牛頓第二運動定律。這一派科學(xué)家的人數(shù)雖然很少，但在物理學(xué)界依然很活躍。這類修正牛頓動力學(xué)的理論在解釋星系里恒星的運動速度異常這方面干得特別漂亮，但是其他方面都差強人意。不過，幾十年來，這個理論并沒有完全退出歷史舞臺。

哪知道，2018 年 3 月的一個消息，估計讓支持修正牛頓動力學(xué)的人要哭暈在廁所里了。來龍去脈是這樣的：

01 致命的打擊

天文學(xué)家研究了一個不起眼的星系，編號 NGC1052-DF2，后面我們簡稱 1052 星系。測算下來，這個星系的引力質(zhì)量和光度學(xué)質(zhì)量大差不差，基本一樣多。這意味著什么呢？這意味著，如果按照暗物質(zhì)理論來解釋的話，一句話就可以了，這說明該星系基本不含暗物質(zhì)。

哈勃太空望遠鏡拍攝的 NGC 1052-DF2

但是修正牛頓動力學(xué)理論就遇到了大麻煩，因為這個理論否定了暗物質(zhì)的概念，而修改了最基礎(chǔ)的牛頓動力學(xué)理論，目的是為了解釋為什么按照之前的觀測結(jié)果，所有的星系的動力學(xué)質(zhì)量都要遠遠大于光度學(xué)質(zhì)量。如果這個理論是對的，那么就不能出現(xiàn)例外。但是，現(xiàn)在偏偏 1052 星系就是首個被天文觀測到的例外?？梢哉f，這個理論遭到了致命的打擊。

NGC 1052-DF2的位置

相反，1052 這樣的星系用暗物質(zhì)理論非常好解釋，這個星系的引力質(zhì)量和光度學(xué)質(zhì)量大差不差，基本一樣多。那就等于說這個星系暗物質(zhì)基本不存在，所以外圍恒星旋轉(zhuǎn)的速度符合現(xiàn)有的物理學(xué)法則。這等于是用“不存在證明了自己的存在”。

在歷史上，為了解釋觀測到的自然現(xiàn)象，幾乎都會同時出現(xiàn)很多競爭的理論，例如托勒密、第古、哥白尼的天體運行模型，即便到了今天，在科學(xué)界依然存在與廣義相對論競爭的理論。不過，科學(xué)與哲學(xué)、藝術(shù)、文學(xué)等其他學(xué)問有一個最大的區(qū)別，其他這些學(xué)問，往往講究的是求同存異，百花齊放，沒有絕對的正確與錯誤。但是，科學(xué)理論的贏家只能有一個。幾乎每一個教科書上的公式都是經(jīng)過了激烈競爭后的勝出者。

距離星系中心較遠的物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度預(yù)計會比靠近星系中心的物質(zhì)低

目前看來，暗物質(zhì)理論更加可靠，能解釋的現(xiàn)象也更多。但是，問題仍然困擾著大家，暗物質(zhì)究竟是什么？理論物理學(xué)家們?nèi)匀辉诓粩嗵岢瞿Ｐ?，修改模型，然后動用計算機去計算。而另一些實驗物理學(xué)家則把注意力放到了其他地方。

02 怎么“抓到”暗物質(zhì)？

實驗物理學(xué)家在思考如何能探測到暗物質(zhì)粒子。大家或許有疑問，現(xiàn)在連暗物質(zhì)粒子是什么，有哪些性質(zhì)都不知道，那么該如何去找呢？似乎一點可靠的線索都沒有。

當(dāng)然，即便是猜想也要有個邏輯的起點。目前科學(xué)家們是以 WIMPs 理論為基礎(chǔ)的。上次我們講過，這個理論把暗物質(zhì)粒子描述成一種具有引力，有弱相互作用的非常重的粒子?？茖W(xué)家們猜測，WIMPs 粒子，自己就是自己的反粒子。假如兩個這樣的粒子發(fā)生碰撞就會發(fā)生湮滅現(xiàn)象，那么這也就為我們探測暗物質(zhì)粒子提供了可能性。

現(xiàn)在探測宇宙里面各種粒子的太空探測器有那么幾個，一個是裝在國際空間站的 Alpha 磁譜儀，還有一個是帕梅拉探測器。還有費米衛(wèi)星和我國發(fā)射的悟空號探測器。幾個探測器的數(shù)據(jù)都可以相互對照印證。

Alpha 磁譜儀

名氣最大的是裝在國際空間站上的 Alpha 磁譜儀，領(lǐng)銜擔(dān)綱的科學(xué)家是著名的諾獎得主丁肇中。這個探測器是國際協(xié)作的產(chǎn)物，其中高強磁鐵是我國提供的。中國的高強磁鐵是全世界最好的，F(xiàn)35 戰(zhàn)斗機上也在用。

丁肇中在世界科學(xué)界的威望極高。本來 NASA 的航天飛機需要全部退役，但是丁肇中的面子大，硬是說服了 NASA 在 2011 年再執(zhí)行一次航天飛機任務(wù)，把 Alpha 磁譜儀送進國際空間站。

年輕時的丁肇中，左一（1976 年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，祖籍中國山東）

這個探測器無法作為一個獨立的衛(wèi)星運行，因為太陽能電池板供電不夠用，只有國際空間站太陽能板面積夠大，能提供足夠的電力。只有航天飛機有能力把這么重的探測器扛到國際空間站上。沒辦法，退休前航天飛機只好再加班多飛一趟。

根據(jù)理論猜想，暗物質(zhì)粒子在太空里相互湮滅會釋放出反電子和反質(zhì)子。雖然我們看不到暗物質(zhì)粒子，但是我們能夠看到他們留下的腳印。Alpha 磁譜儀主要關(guān)注的是反電子，經(jīng)過一年多的觀測，它收集了 680 多萬個電子和反電子，其中反電子有 40 萬個，這些粒子的能量都非常大。

國際空間站上的 Alpha 磁譜儀（左上：AMS）

經(jīng)過和帕梅拉衛(wèi)星以及費米衛(wèi)星數(shù)據(jù)的比對，大家認為，在 10G 電子伏能量段以上的反電子多得不正常，可能是暗物質(zhì)粒子互相湮滅留下的腳印。統(tǒng)計曲線上明顯出現(xiàn)了一個大鼓包。這就是實測數(shù)值與理論預(yù)期的偏差。

03 悟空號數(shù)據(jù)的特殊峰值

就在 2017 年年底，我國的悟空號探測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也發(fā)布了。悟空號的能量探測范圍比費米衛(wèi)星和 Alpha 磁譜儀都要寬得多。在更高的 1.4T 電子伏能量段上，發(fā)現(xiàn)了特殊的峰值。這是非常令人驚奇的事情。

悟空號

這么描述大家可能還是不太懂。沒關(guān)系，我們還是用打比方的方式來講，比如說小鎮(zhèn)里家家戶戶都是獨生子女家庭，周末舉辦親子活動，爸爸媽媽帶著孩子都在海邊沙灘上搞聚會。我們根據(jù)人口結(jié)構(gòu)可以預(yù)計，成年人的腳印是孩子的兩倍。爸爸媽媽帶著一個孩子嘛。成年人的腳都差不多大小，孩子的腳印有大有小，應(yīng)該是平均分布的。從兩三歲的孩子到十四、五歲的中學(xué)生都有。這就是我們根據(jù)已知的情況推斷出來的一個預(yù)期。

可是我們真的到現(xiàn)場去數(shù)一下腳印，發(fā)現(xiàn)完全超出了我們的預(yù)期?，F(xiàn)場出現(xiàn)了一大串巨大的腳印。這種腳印不像是小鎮(zhèn)上任何人的。那么只能判斷，一定是有一大群大個子來到過現(xiàn)場，腳印就是他們留下的?？墒牵蹠默F(xiàn)場并沒有人看到過有奇怪的人出現(xiàn)。那么我們只能判斷，他們是隱身人，也就是說，現(xiàn)場存在一些看不到的大個子隱身人，但是他們留下了自己的腳印。這種大個子的隱身人就好比是暗物質(zhì)粒子。

按照科學(xué)家們一貫的嚴謹態(tài)度，他們表示，多出來的這些高能反電子疑似是來自于暗物質(zhì)。不過，這種探測方式依然只能算是間接證據(jù)。

那么能不能直接抓到這些暗物質(zhì)粒子呢？畢竟暗物質(zhì)應(yīng)該就在我們的身邊。辦法也是有的。

04 隧道中的奇跡？

在意大利的大薩索山的一個地下隧道里面，有一群科學(xué)家正守在探測器的旁邊等著暗物質(zhì)粒子撞上門來，這有點像守株待兔。我國在四川錦屏山的地下隧道里，也有兩個大型探測裝置在蹲坑守候。

中國錦屏地下實驗室位于四川省涼山州錦屏水電站錦屏山隧道中部埋深2400米處

上海交大主導(dǎo)的 PandaX 計劃動用了一大罐液態(tài)氙，科學(xué)家們預(yù)測，假如真的有暗物質(zhì)粒子撞上來，撞到了氙元素的原子核上，就會發(fā)出一個閃光，超高靈敏的光電探測器就能探測到這個閃光。隔壁清華大學(xué)主導(dǎo)的暗物質(zhì)探測器則采用了超低溫的鍺晶體，原理也差不多，都是等著暗物質(zhì)粒子撞到鍺元素的原子核。意大利大薩索山地下隧道里的暗物質(zhì)探測器用的是碘化鈉晶體。

上海交大 PandaX 計劃

那為什么探測暗物質(zhì)粒子要跑到深深的隧道中或者礦井中呢？這是為了屏蔽外界亂七八糟的粒子。因為能穿透上千米厚的巖石來到地下實驗室的粒子，也就神秘莫測的暗物質(zhì)粒子和鬼鬼祟祟的中微子了。所以中微子的實驗，多半也是在地下深坑里做的。

意大利國家核物理研究所(INFN)下屬的格蘭薩索國家實驗室

前一陣子意大利人出來一些消息，地下探測器也已經(jīng)有些眉目了。經(jīng)過 6 年的數(shù)據(jù)積累，他們發(fā)現(xiàn)探測到的信號與季節(jié)有關(guān)系。季節(jié)變化來自于地球繞著太陽運動。難道太陽系里的暗物質(zhì)分布是不均勻的？地球轉(zhuǎn)到軌道這一頭濃度大一些，轉(zhuǎn)到軌道那一頭濃度小一些？可是還是有不少科學(xué)家對他們提出了質(zhì)疑。畢竟這樣的關(guān)聯(lián)未免有些牽強了，證據(jù)還嚴重不足。

總之，到現(xiàn)在為止，我們只知道暗物質(zhì)真的是一種物質(zhì)，它具有引力作用，可能具有弱相互作用。尋找暗物質(zhì)就像一次全世界協(xié)作的大規(guī)模的犯罪現(xiàn)場勘查，每個團隊各領(lǐng)取一塊區(qū)域進行仔細的排查，等到把所有的區(qū)域都排查完了，罪犯的蛛絲馬跡一定是能被找到的。只是，到現(xiàn)在為止，暗物質(zhì)仍然是一個世界未解之謎。

不過，我有信心能在有生之年看到謎底。