诸如暗物质、快子这些仅在概念中存在、且尚未被证实的物质,对科研来说有没有研究价值?

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问题的疑惑是:暗物质如果不存在,是不是就没有研究价值?但实际上,研究暗物质是否存在,本身就是科学研究的内容。

当我们日常谈论一个物理概念,比如原子,或者电子,往往倾向于假定这是一个自然界真正存在的实体。但暗物质也好,原子也好,都是物理模型。这些模型被用来描述一个可能的自然存在,有的模型也许已经非常贴近自然真相,有些仍有很大改进空间。

所谓物理模型就是你用来解释自然世界观测、实验的理论。一个好的物理模型不但能够解释相关的已有的观测事实,还应该能够预言新的观测事实。如果你发现某一个自然现象,没有办法用现有的理论来解释,你就需要创造一个新的模型。比如为了解释阴极射线,汤姆孙提出了“原子”这个模型。他的“原子”好像一个葡萄干面包,带负电的电子嵌在带正电的原子面包中。但是这个模型在随后卢瑟福开展的金原子散射实验中失败了,因为发射向金箔的alpha射线大多数直接穿越金箔,只有很少被散射开来,这说明原子并非像面包一样被物质填充的很满。卢瑟福因此修改了原子核模型,新的模型中原子核占据非常小的体积在原子中央,而电子像行星一样绕原子核转动。卢瑟福的“原子”相比汤姆孙的原子是一个更好的模型,但我们知道这也并非自然真相。随后的研究表明,电子并非真的像卫星一样绕原子核转动,而是以概率分布的形式出现在离散的能态上。我们今天仍然不能说我们已经建立了原子完整的模型,我们对原子核的亚结构仍然有很多不明白的地方,需要理论计算和实验来推进。从这个意义上,所谓原子,只是一个很好的物理模型,但并不是物理实在本身。而科学研究,就是为了排除错误的模型,建立更接近事实的模型。

相比于“原子”,“暗物质”是一个更初级的物理模型。“暗物质”的引入是为了解释银河系外围恒星运动(星系旋转曲线)和后发星系团中星系的超高速度问题。人们发现,宇宙中的可见物质太少了,理论上必须引入新的物质组分来保持银河系,星系团被引力束缚而不是分崩离析。而之后的天文学、宇宙学观测如微波背景辐射,宇宙氦3丰度观测,超新星测距,引力透镜,星系巡天这些观测结合起来,也要求宇宙中存在超过可见物质4-5倍的“暗物质”。

所以,所谓“暗物质”是这样一个模型:“宇宙中存在一类非夸克构成的粒子。它们应该有较大的质量,因此在宇宙初期动能非常低。它们不发出电磁辐射,但提供引力。” 但暗物质究竟是什么粒子,我们还不知道,一些更具体的粒子模型试图解答这样的问题,比如 “WIMP","Axion"。但这些粒子模型现在仍未被验证,需要更进一步的观测和实验研究。

相对于“暗物质”这个模型,人们也试图发明新的模型来解释“银河系外围恒星运动”和其他观测。“牛顿修改引力”,MOND就是其中之一。这样的模型希望通过修改物理定律而非引入新的物质来解释已知观测。但从目前的情况来看,任何一种引力修改理论都远比“暗物质”有更大的问题。

所以回到最初的问题,“暗物质”是一个物理模型,这个模型很大程度上是观测证实的,但我们对它的细节还有很多不清楚的地方。这样的模型,即使没有被完全证实,依然是非常重要的。这不是"对科研有没有价值"的问题,探索这些模型就是科学研究最重要的内容。

暗物质已经有足够的观测证据,都是天文学的,还没有物理学探测的直接证据。

1932年,荷兰天文学家奥尔特通过对银河系中的恒星的运动推测银河系面应该有更多的质量,也就是说有一些隐藏的质量不能用可见的恒星来解释,事后他的结果被认为是错误的。奥尔特是一个高产的天文学家,太阳系外围的奥尔特云就是以他的名字命名的。1933年,瑞士天文学家兹威基研究了由星系结成的星系团,得到类似的结论。他研究的对象是后发星系团,这是一个巨大的星系团,含有上千个星系。不过,兹威基推测的暗物质质量实在太大了。

天文学界真正积累了暗物质证据的时代是上世纪60年代。女天文学家鲁宾对当时天文学的主流研究不感兴趣,去研究不那么主流的星系转动曲线。所谓星系转动曲线就是旋转的星系在距离星系中心不同距离处的速度曲线。她和同事福特一同发现,多数涡旋星系的转动速度大于理论计算的数值,一个最简单的原因是这些星系含有很多不可见的质量。他们的结果是,星系平均含有高于可见物质6倍的暗物质。

经过天文学家长期的检验,鲁宾等人的结论得以确立,人们找到了更多的暗物质存在的证据,括通过星系引力场对其后面其他星系光线的弯曲的观测,直到现代宇宙学的一些观测。今天,研究星系以及星系尺度之上的天文学不用暗物质几乎是不可能的。

在我读研究生的时候,人们还不知道暗物质究竟是什么。当时流行的两个主要候选者有燃烧尽的恒星和黑洞,以及所谓极弱相互作用粒子,这两类候选者有一个共同特点,都是不发光不可能用电磁学手段探测到的东西,但都引起更大的万有引力。慢慢地,人们认为只有极弱相互作用粒子是可能的候选者。

近年来,宇宙学观测的主要方式有好多种,最引入注目的有两种,一种是用IA型超新星测量宇宙膨胀的历史,得出的结论是,暗物质占宇宙总质量的25%。第二种方式是探测宇宙中无所不在的微波背景辐射,这一种方法得到的最新结论是,暗物质占宇宙总质量的26.8%。可见物质有多少?只有4.9%,这个结果证明当年鲁宾等人的结果接近正确。

现在,天文学家对暗物质的“共识”是,暗物质主要成分是不参与电磁相互作用的粒子,这些粒子统称WIMPs(参与极弱相互作用的重粒子)。这些粒子较重,运动的速度较低,叫做冷暗物质,分布于星系中和星系的外围,以及星系团中和星系团的外围,这些结构叫暗物质晕。星系的暗物质晕的密度要大于星系团的暗物质晕。它们的存在使得每个恒星感受到的引力大于恒星引起的引力,使得每个恒星绕星系中心的运动速度变大,使得星系团中的星系之间的相对运动速度变大。另外,它们对背景的星系和星系团具有引力透镜效应。除了可见的引力效应外,暗物质的存在影响了微波背景辐射以及大尺度结构的形成。

现在,全世界很多国家加入了物理探测暗物质的队伍,这些探测分为太空探测和地下探测。前者是所谓间接探测,以丁肇中先生领导的AMS02实验为典型,这些探测器通常探测暗物质粒子衰变产生的粒子。地下探测则主要是直接探测,当暗物质粒子与探测器中物质的原子核发生碰撞时,原子核的反冲带来一系列可观测效应,中国在近几年加入了直接探测暗物质的行列,两个实验都在锦屏地下实验室,一个是清华大学的实验,一个是上海交通大学的实验。

暗物质探测毫无疑问是当前最重要的物理学问题之一,暗物质的研究将带来基础物理学革命。

至于快子,只是物理学中引发系统不稳定的模式,并不会以粒子的方式存在。当然,有些人假设存在稳定的快子,速度超光速,这种假设并无与现有物理学不矛盾的证据。