捕风捉影：暗物质 | 老和山下的小学僧

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导读

如果中国发现了暗物质，可以说，这是几百年来，中华民族对人类科学做出的最有份量的贡献。

本僧掐指一算，宇宙中可见物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%，阿弥陀佛~

话说到这份上，不得不面对一个尴尬的事实：假设你随手指着夜空中最亮的星星说“那恒星有五颗行星十颗卫星”，蒙中的概率是万分之一，那么天文学家用最尖端科技，要蒙中这个数字的概率也就百分之一。

科学越到前沿越不靠谱，这是主基调。比如这个：某牛叉物理学家提出的膜宇宙模型。

为了显得更博学，说暗物质都会顺带提一句暗能量。其实吧，把“暗能量”和“暗物质”放一起是很业余的（呃，我本来就是业余的），两者虽然同属“暗”字辈，本质上却大相径庭。

古人把解释不了的现象归结于上帝，科学家遇到解释不了的现象，就把这黑锅甩给“暗某某”，“暗”这个字并不是一种分类，而是“黑锅”的意思。暗物质和暗能量都是背锅小能手，先简略说说“暗能量”背的这口锅。

暗能量

假设宇宙是大爆炸产生的。按理说，宇宙这锅粥被炸开之后，在引力的相互吸引下，应该是膨胀的越来越慢，比如，外围的星系受到中心地带大量星系的吸引，应该会慢慢降低远离的速度。

而目前观察到的宇宙，仍然在加速膨胀，外围的星系还在加速远离，这又没装发动机，是什么东西在作祟？得了，找人来背锅吧，于是就有了暗能量的概念。

正如一千年前的人不知道东西为啥会自主往下掉，现在的人也不知道为啥星系会自主往外飞。暗能量是一种奇怪的斥力，充斥在宇宙的角角落落，不断把东西往外扯，把宇宙撑大，但暗能量的密度却不会随着宇宙膨胀而稀释，所以也有人称它为“真空力”，是真空本身具有的一种排斥力。

暗能量目前只是一个概念，很可能是有别于四大基本力之外的第五种基本力。至于怎么证实或找到暗能量，科学家折腾了几十年还没找着门，咱也不多说了。

相比来说，暗物质的境况要好的多，至少已经有了相关的理论，指不定哪天这黑锅就不用背了。

暗物质的起源

天文学家个个都是福尔摩斯，仅仅根据一颗恒星亮度的变化规律，就能演算出各种活灵活现的参数。然而，在计算体重时，天文学家算懵圈了。

天体质量的计算有几种方法：通过恒星相对星系中心的运行规律、星系相对星系团中心的运行规律，再根据万有引力公式计算质量；根据光谱特征与已知质量恒星的比较，可以计算恒星温度，再进一步计算出密度，再计算出恒星质量；根据光线弯曲情况，利用引力透镜效应计算引力和质量。

好了，有些手欠的科学家，把这些测量方法都算了一边，结果发现不同方法测量的质量不一样。举个例子，顺便为了纪念，放个靓图：

这张著名的照片，讲的是哈勃太空望远镜捕捉到的两个星系团相撞的故事，按照引力透镜效应（光线被引力弯曲的程度），计算出蓝色区域的引力远远大于这些恒星的总和。也就是说，那些黑暗的地方，还隐藏着更多的引力，这张照片被认为是最重要的暗物质线索之一。

这和纪念有啥关系？今天看到报道，哈勃正在向地球掉落，美国宇航局并没有计划阻止其轨道衰减过程，哈勃可能很快会迎来生命终点。下图是宇航员最后一次维修时拍摄的“哈勃”太空望远镜。

回到主题。质量对不上号，要么是你的引力计算公式有问题，要么就得找人来背黑锅。如果公式有问题，物理学又得推倒重来，这动静可就大发了，于是大家纷纷表示，公式不会错，一致把这黑锅甩给了“暗物质”！一种“只有引力，没有电磁作用”的怪胎。提个醒，光是电磁波，如果暗物质不和电磁波发生作用，意味着这货“看不见却有引力”。

令人惊讶的是，很多理论居然变得无比通畅！于是大家马上痛打落水狗，把很多解释不通的问题，通通算到暗物质头上，比如，因为有暗物质的引力在拖后腿，星系团聚集的过程就会受到影响，这和目前观察到的星系团形成规律比较吻合；再比如，按牛顿定律，高速旋转的星系，早应该把外侧星系甩出去了，是暗物质的引力默默维持着星系不散架；还比如，一直遭人诟病的“宇宙背景辐射”也信誓旦旦：“为什么辐射涨落特征是这副德行，就是因为暗物质这个挨千刀的在搞鬼！”

大家相视一笑，对于暗物质，那真是丈母娘看女婿，越看越欢喜，关于暗物质的各种“宇宙模型”纷至沓来，然后各种探测暗物质的试验如火如荼开展，一大波人叫嚣道：暗物质，你就快快从了吧！

寻找暗物质

现代人找暗物质，和古人找空气分子如出一辙。“引力波测量”只是刚出生的婴儿，指望他去收拾暗物质这种老江湖，是肯定指望不上的。

注意，本僧要放大招了：人类科技里精度最高的测量手段，是对“电子和光”的测量，基本可以探测到单个光子和单个电子。所以，绝大部分实验，无论是引力波、暗物质、量子纠缠，还是微小距离变化什么的，最终都是想办法转化成电子信号或光信号。

• 直接探测

暗物质的探测原理简单到无以复加：当暗物质跟氙原子发生碰撞时，氙原子就会发光，同时产生自由电子。简而言之，如果静置的液氙无缘无故发出微弱的光子和电子，我们就认为有暗物质。

这个原理和荡千秋一样，秋千最稳定的状态是停在最低点，如果轻推秋千，使之处于有能量的摇摆状态，秋千靠摩擦以热量的方式不断释放能量，慢慢回归最稳定状态。而在微观世界，能量的释放经常以光子或电子的形式。

强调一下这里的诡异，暗物质不发生电磁作用，意味着可见光、红外线、X光、雷达波等等都无法探测，但这货却实打实与实物粒子发生了碰撞，典型的“看不见却摸得着”，这事在我们这儿俗称“见鬼”。

这套路算比较高端了，暗物质目前连影子都没有，所以不太高端的间接测量也备受热宠。

• 间接测量

为了满足暗物质这种诡异的属性，物理学家费了好大功夫把“暗物质”打扮得花里胡哨。根据这个花里胡哨的模型，两个暗物质湮灭会产生伽马射线或正负粒子对，这样的话，星系晕应该会有大量伽马射线、反质子和正电子。只要把这些东西找齐了，就能间接证明暗物质的存在。

这套路看起来着实有点悬，好在粒子物理永远还有一个老朋友：对撞机。实在不行了，就拿对撞机轰一轰，看看能不能撞出个暗物质粒子。撞不出来咋办？继续提高能量呗，要是还不行就继续提高！

前文说过的欧萌那个烧了大钱的对撞机LHC，目前只撞出个“上帝粒子”，远远没有达到大伙的心理预期，但是想撞超弦理论，又没戏，所以很想撞个暗物质粒子，不过现在看起来够呛。

进展

要说土共某技能世界第一，键盘侠还会嘟囔几句，但要找几个土共没进世界前五的领域，估计也得费点劲。关于暗物质探测，土共难得在基础科学领域这么有底气，上次引力波被人抢了先，这次越看越像急眼了。

• 锦屏地下实验室

直接探测暗物质的原理是，只要探测到液氙无缘无故发出光子和电子就行了，但是很多射线和中子也会导致氙原子发光，所以为了屏蔽宇宙射线，暗物质实验室通常建在很深的地下。

2400米深的中国锦屏地下实验室

虽然躲地下宇宙射线强度只有地面的千万分之一到亿分之一，但岩石本身也有微弱的放射性，所以还得折腾。

下面走一波高清图，近距离感受一下暗物质实验室。首先挖个坑，周围裹上百吨的聚乙烯、铅及高纯铜组成的屏蔽层：

然后把液氙放到罐子里：

再把罐子放到坑里：

罐子的上下都装了高灵敏的传感器：

这些传感器可以探测到非常微弱的光电信号。

这里面灌了500公斤液氙，整个叫“PandaX暗物质探测器”，是核心中的核心。

万事俱备，只欠暗物质撞击信号，和引力波探测一样，暗物质实验人员也开始了守株待兔般的漫长等待。2016年，PandaX公布了3000万个发光事件，绝大部分都是干扰信号，只有一个发生在2016年6月11号3点3分6秒的可疑事件，可惜，最终证实这个可疑事件来源于液氙内部的放射性元素氪衰变产生的射线，尽管氪浓度已经低于百亿分之一。

目前中国锦屏地下实验室已经批准两个暗物质实验项目，除了这个上海交通大学的PandaX（熊猫计划）液氙暗物质实验，还有一个清华大学的CDEX（中国暗物质实验）高纯锗暗物质实验，捕捉暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的信号，原理大差不差。

难能可贵的是，中国暗物质探测的实验人员异常年轻！说句题外话，貌似现在中西方文化掉了个头，现在西方年轻人都热衷于政治，奥地利出了个31岁的总理，三十多岁的最高领导人西方已经有三五个了，而东方年轻人却开始投身于科学技术。

尽管锦屏实验室还没有发现暗物质粒子，但确定性排除了美帝和欧萌多年来宣称的暗物质存在区域，而且对可能的暗物质候选对象给出了最新的限制。这一茬，土共俨然一副武林霸主的嘴脸。

美帝表示不服，土共不就500公斤么！美帝带领37个小弟，打算罐一个7吨的液氙。欧萌也不甘寂寞，打算在意呆利灌一个6吨的。土共不温不火，锦屏地下实验室二期工程早已开工，一口气扩建了30倍，计划5到10年内，再灌一个20吨到30吨级的，各项性能十倍十倍往上提。

世界最深实验室前五

No.1 中国锦屏地下实验室（CJPL）

岩石覆盖厚度2400米

No.2 美国杜赛尔(DUSEL)二期地下实验室

岩石覆盖厚度2300米

No.3 加拿大斯诺(SNO)地下实验室

岩石覆盖厚度约2000米

No.4 法国摩丹(Modane)地下实验室

岩石覆盖厚度约1700米

No.5 意大利格兰萨索(GranSasso)地下实验室

岩石覆盖厚度约1400米

• 卫星探测

引力波早在七十年代就有了间接证据，所以大伙只关心直接测量，但暗物质毕竟啥都没，所以间接测量也双管齐下。

卫星“悟空”发射

2015年底发射的“悟空”暗物质粒子探测卫星，主要进行高能电子及高能伽马射线探测任务，属于间接探测。

 “悟空”携带了四个探测器，其中最为核心的是电磁量能器(BGO)，用于测量宇宙射线的能量。中科院量产的BGO晶体已经达到600毫米，远远甩开第二名的400毫米，能量分辨率全球第一！从国际上说，悟空是全世界最先进的暗物质探测卫星，从国内说，悟空的技术难度超过了我国目前所有的上天高能探测设备。

为啥说土共急眼了呢？西藏阿里天文台最近也加大了暗物质探测方面的投入，作为全球唯一海拔超过5000米的天文台，大气干扰少，优势也不容小觑。

关于暗物质卫星，还有个鲜为人知的新闻。美帝有个阿尔法磁谱仪项目，安装于国际空间站上，探测暗物质和反物质。按理说，国际空间站的事情美帝都是不允许土共沾手的，这次却破例非要拉着土共一起干，说了一堆冠冕堂皇的理由。

其实原因呢，很简单，土共现在的BGO晶体和永磁体系统已经遥遥领先，这是阿尔法磁谱仪最核心的部件。项目负责人、美籍华人丁肇中以及诸多美帝同仁，多次称赞“中国科学家为磁谱仪实验作出了决定性贡献。”感兴趣的同学可以搜索关键词“阿尔法磁谱仪”。

国际空间站的阿尔法磁谱仪

晶体制备

记性好的小盆友，是不是对土共的“晶体”有些印象？前文几次提到土共的技能，经常和这货沾边，用于量子通信的纠缠光子的制备，上海光机所的功率5.13拍瓦激光的世界记录，如此等等。再说则趣闻。

2016年2月，美国APC（先进光学晶体）公司宣布与克莱门森大学合作，研制出氟代硼铍酸钾晶体（KBBF），具有与中国同类产品相媲美的性能，打破了中国技术封锁，价格也比从中国进口便宜许多。

这种晶体可用于制造深紫外激光器，2009年中国开始禁止向国外出口。虽然美帝2016年突破了技术封锁，可惜，2015年中国福建物构所发现新型无铍深紫外非线性光学晶体材料LSBO，有望成为下一代深紫外非线性光学晶体。“美弟”还得努力啊！

科学价值

如果中国发现了暗物质，可以说，这是几百年来，中华民族对人类科学做出的最有份量的贡献。按照以前的德行，基本粒子通常是发现一个就颁一个诺贝尔物理学奖，暗物质粒子绝对够得上十个诺贝尔奖。这好比，大家进山去寻找新物种，以前找的都是地上跑的，“暗物质粒子”相当于出现了一个天上飞的物种，从此地面上玩的那套全得改写，这份量足以撼动物理学大厦！

基础科学的突破，一定会带来技术的发展，但具体怎么发展就说不清了。当年法拉第发现电磁感应现象（可以简单理解为人类能发电了），有人就嘲笑的问道：“这种在导体里流动的东西有什么用？”现在，你能停电一个月吗？

暗物质具体有什么用？这个问题得问你的孙子或孙女，搞不好是你的孙子辈问了曾曾孙，然后把答案烧给你。

扩展阅读：

背景简介：本文作者老和山下的小学僧，著名科普作家。文章2017年10月25日发表于微信公众号 老和山下的小学僧 （捕风捉影：暗物质），风云之声获授权转载。

责任编辑：孙远