出品：新浪科技《科學大家》、未來論壇
主講嘉賓：郁海波 美國加州大學河濱分校物理與天文系副教授、未來論壇青創聯盟成員
宇宙、世界的萬世萬物，在物理學大類里分成很多小類，有宇宙學、有天文學、有生物力學、有凝聚態物理、有核物理，再有基本粒子物理。暗物質研究是非常特殊，它是介於粒子物理學和宇宙學之間的一門學問，是跨學科的研究。
恆星的尺度大概是10的11次方米，有上千億顆恆星會組成一個星系，這個星系尺度大概是在10的21次方米。上千個星系可以組成星系團，星系團尺度10的23次方米。星系團是人類所觀測到最大的由自我引力形成的結構。所有的星系團和時空加起來，就是我們所觀測到的宇宙。
暗物質存在最早的證據來自於瑞士和美國物理學家弗里茨·茲威基，他在上個世紀30年代做出了非常重要的工作，他做了什麼樣的事情？他選擇了一個星系團進行了觀測，他發現星系團裡面星系的速度，運動的非常快，從高中的物理學知道，如果一個系統比較穩定，那麼它的動能應該跟勢能比較接近，勢能是由所有的質量決定，如果它只考慮所有可見物質，它會發現動能比勢能遠遠要大。這些星系速度太快，可以飛離星系團。但事實上觀測到，所有星系都在星系團運動，他做了一個非常大膽的假設：有可能在星系團中，我們有看不見的物質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。
這是一個非常有意思的假設，但是在很長的一段時間裡面沒有得到重視。我想有非常多的原因：因為他是天才級人物，他做這樣的預言，同時代的人不一定跟得上他的思路；還有一個有意思的原因，我想他是一個非常刻薄的人，他經常給他同事們起外號，比如說很多同事他叫做混蛋，叫做球狀的混蛋。混蛋已經很刻薄了，為什麼要叫球狀的混蛋？因為不管從哪個角度看，他的同事都是一個混蛋，因為球是由最大的對稱性，不管從哪個角度看，這個球都是一個球形的。
這個問題在70年代得到了非常大的重視，這裡重要的工作是由美國的女天文物理學家薇拉·魯賓完成的。她選擇了一些旋轉星系來進行仔細的觀察，就像銀河系是一個旋轉的星系，大概有2000億顆恆星。它們都會繞著星系的中心旋轉，所以天文觀測中可以每一點，可以觀測它旋轉的速度，觀測的結果就是由黃線所示。
這個很奇怪，因為根據牛頓萬有引力，星系的旋轉速度是由質量和距離一起決定的。因為旋轉星系基本上所有的質量都集中在星系的中間，所以越到很外面，恆星旋轉的速度就會越來越低，就像綠色這條線所顯示。事實上不是這樣的，事實上觀測到的是接近於一個常數，那就意味著其實在星系裡，有很多物質我們是看不到的，它們給這些外圍的恆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。這個媽媽跟小孩在玩甩人的遊戲，如果小朋友甩的快，旋轉速度快，媽媽就需要用更大的力把他拉在一起，否則小孩就會甩到外面去，這是一個非常形象的例子來理解天文學的觀測現象。
還有一個重大的突破在上個世紀末期和本世紀初，是宇宙學的觀測：所謂宇宙微波背景輻射的觀測。我們知道現在宇宙的年齡是137億年左右，上面這張照片是顯示宇宙還在嬰兒時期溫度的分布，那個時候宇宙有38萬年的年齡，聽起來很長，但是跟總年齡比起來是嬰兒時期。這張圖是溫度的分布，總體溫度的分布是比較均勻的，實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，就是藍色。從數學上講，漲落大概是10的負5次方左右，是非常非常小的漲落，大家覺得很奇怪，為什麼宇宙在那個時候的溫度分布不是均勻的。
宇宙溫度漲落暗示存在暗物質
後來物理學家了解到要解釋這樣的溫度的漲落，有一個必須的假設就是這個宇宙中，其實存在著暗物質，溫度的漲落反映了宇宙暗物質的分布在那個時候是不均勻的，暗物質密度的漲落是10的負5次方左右，這就完美的解釋觀測到的現象。
這是一個極其重要的實驗，通過這個實驗，我們能夠很精確的知道暗物質在宇宙中的組分，右邊這張圖展現宇宙中不同的重要的組分。暗物質大概占了27%質量能量的總和，所有的可見物質，包括所有的恆星氣體，我們看到的世界，只占了5%的成分，接下來大概有68%的那部分叫暗能量。從這個觀測我們知道，宇宙中95%的東西，我們都是看不到的，沒有任何關於它們細節的信息。我們只能直接觀測到5%的可見的物質，所以我們對整個宇宙非常無知。
從宇宙的尺度，我們在回到銀河系的尺度，左邊這張圖展現了銀河系裡兩千億顆恆星分布的狀況，它都是在一個類似於圓盤一樣的結構中運動。那麼右邊這張圖，其實就顯示了如果你把暗物質這個結構加上去，這個圖象應該是這個樣子的，就是兩千億顆恆星，大概都集中在非常中間的地方，這些恆星生活在暗物質暈這樣一個結構裡頭。這個結構它的質量比所有的恆星加起來都還要重30倍，所以在銀河系中，質量最大的物質其實是暗物質，而不是恆星，不是氣體，不是我們看到的山和世界。
暗物質的密度非常非常低，比如說考慮我們生活的銀河系周圍。我們知道暗物質的質量是不知道的，假定暗物質粒子的質量是質子的100倍，一個茶杯里，估計就有一個暗物質粒子，所以它的密度是極其低下的，接近於真空。但是暗物質的速度很大，它在太陽系周圍以每秒200公里的速度進行運轉。
這張圖展現了整個宇宙演化的歷史，在宇宙起源於一次非常非常劇烈的大爆炸，之後宇宙急劇膨脹，宇宙慢慢的冷卻，中間會形成不同的結構，比如說星系，比如說太陽系、地球、月亮等等等等，總共宇宙的年齡是137億年。我們很難想像，大多數人很難想像，科學家能把這個測的如此的精確。
宇宙演化中，暗物質扮演重要角色
現代科學告訴我們，在漫長宇宙演化的歷史中，暗物質扮演了關鍵的角色。你會說暗物質看上去很重要，但是跟我們的生活有什麼關係？其實有一個很有趣的關聯，我在這裡可以闡述一下，比如說人類的生存，依賴於很多礦物質和微量元素，比如說鈣、錳、鋅、鈉，但這類元素並不能在宇宙早期演化的時候和合成，只是在很晚的時候，主要由一個很特殊的天文事例才能合成這些元素，這個事例就叫超新星爆發。
什麼叫ƒ爆發？類似於像一顆太陽這樣的恆星，在晚期的時候，由於原子核反應和引力相互作用會發生爆炸，在爆炸的時候，就會合成這些元素。即便能合成這些元素，這些元素產生的時候會產生很大的速度，這些速度很大，足以分離超新星，變成星際的塵埃，如果沒有暗物質。有暗物質存在，暗物質會提供足夠多的引力，把這些粒子吸回來。所以這些礦物的粒子就會在銀河系裡進行回收，再在地球上進行富集，這就給我們人類提供營養。所以有句玩笑的話，人類起源於宇宙的星辰，但是暗物質能呵護你我的健康。
我們講了宇宙大尺度的結構，我們講了從宇宙大尺度的結構中得出暗物質存在的結論，我們現在來講一講小尺度的前沿問題。左邊這張圖展示了一個原子的結構，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，原子核由質子和中子組成，但是質子和中子也不是基本粒子，因為他們由夸克組成。
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構，從豎下來的角度看，第一豎上夸克、下夸克、電子、中微子，這些粒子叫所謂物質粒子，因為它們是組成我們所知道的物質的基本粒子。我們看到物質粒子，上面兩個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。最後一個黃色所謂上帝粒子，是最近2012年才被發現的。這兩位物理學家因此，獲得了諾貝爾獎。但是這個粒子是在上個世紀60年代，是他們預言的，所以花了大概40、50年的時間，才把它找到。從這個例子看出來科學是一件非常不容易的事情。
我們再來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，有強相互作用和弱相互作用。我們對這第一兩種相互作用其實比較熟悉，但是我們不一定熟悉弱相互作用，其實弱相互作用是負責粒子衰變 。強相互作用就是把夸克綁在一起，形成了原子核。
現代物理看相互作用是由相互作用粒子進行傳遞，所以我把這些傳遞的粒子都放在右邊的圖上，比如說我們在高中的時候就學到電子之間，會有庫侖相互作用，為什麼會有庫侖相互作用？現代物理學的角度來說，是因為他們能交換光子，電磁相互作用是通過光子來進行傳遞的。
所有關於粒子的性質、相互作用，其實可以寫成一個非常非常簡單的公式，在茶杯上面只有短短的四行，因為很短，所以你原則上可以把它寫成一行都可以，看起來這個世界基本規律是非常非常簡單的。
如果你把短短的一行完全展開，你會發現這個是很長很長的，你寫一頁紙，如果把這些公式讓你抄下，你大概需要花半個小時的時間。雖然這個很長，但是你想一下不是很複雜，為什麼？因為這樣的公式描述了宇宙中所有發現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。在這個理論的發展過程中，華人的物理學家作出傑出的貢獻，所以我在這裡列了幾位，在50年代的時候，李政道和楊振寧先生就預言，弱相互作用只在左手粒子上有作用，一年之後由華裔物理學家吳健雄先生帶領實驗團隊把它證實。所以李楊兩位在50年代就拿了諾貝爾獎。
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。他們在50年代就提出，相互作用是由對稱性來支配的，聽起來比較複雜，比較抽象，不知道什麼意思，但是這麼簡單的一句話，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單的方式來把它寫下來，所以楊先生的楊·米爾斯場論的工作是現代物理學的奠基之作，意義不下於牛頓、愛因斯坦的工作。
我們既講了大尺度的宇宙演化，又講了小尺度粒子的構成和特徵，我們把這兩樣東西擺在一起，看一看情況是怎麼樣的。要成為一個暗物質，粒子必須滿足三個最基本的條件，一個是粒子必須要比較暗，沒有電磁相互作用，否則就能找到它，它要比較穩，因為宇宙的年齡很長，所以比較穩定才可以。粒子要比較冷，要形成結構，如果跑的太快，就不能形成結構。
這樣三條最基本的特性，你會發現沒有一個我們所知道的粒子滿足這三個條件，在歷史上最有可能成為暗物質的侯選粒子是中微子，只有弱相互作用，也是穩定的，但是質量太小，而且「溫度」太高了。這是一件非常有意思的事情，我們在宇宙學裡面，我們就知道暗物質需要存在，但是在基本粒子標準模型裡面，沒有暗物質的侯選粒子。這樣問題就比較嚴重，在我看來這兩個模型都是作為人類文明最高成就的模型，但是它們是不自洽的，所以非常有意義， 是一個重大的問題，因為你有兩個很成功的理論，你把它放在一起，它們是不自洽的，對我們來說特別是年輕的學生來說，這是一個很好的機會。
要解決這個問題，我們怎麼辦？作為一個理論家，其實很簡單，你就加一個新的粒子，來假定粒子就是暗物質粒子，你看一下它跟我們所知道的粒子可能會有什麼樣的相互作用。肯定有引力的作用，因為牛頓萬有引力告訴我們，只要有質量就有引力，不可以有電子相互作用，因為暗物質是比較暗的，你看不到它，不可以有強相互作用。也許還可能有弱相互作用，因為這個想法最初在70年代的時候，實驗的限制還不是很強，大家認為它可以有弱相互作用。
這個理論就叫做弱相互作用質量粒子理論，你加了一個有質量的粒子，帶的弱相互作用，這就是所謂弱相互作用粒子。這個理論統治了物理學界接近了30年-40年。為什麼大家對這個理論特別感興趣，原因是這樣的，因為它攜帶弱相互作用，所以原則上我們可以把這個粒子在實驗室中找到。
三種方法探測暗物質
目前關於暗物質所有的證據都是來自天文，如果能在實驗室中找到這樣的粒子就很有意義，正因為它帶弱相互作用，所以我們可以用不同的渠道來尋找它。
總體上有三類不同的辦法，一類叫直接探測，所謂叫搖晃它，意思就是暗物質粒子可以跟可見物質粒子碰撞產生信號。另外一個叫非直接探測，兩個暗物質粒子會碰在一起，湮滅產生可見物質粒子。你可以把兩個可見物質粒子撞在一起產生暗物質粒子，這個就是為產生它。這是用對撞機來尋找暗物質的一個辦法。
接下來我們來把每一個這樣的過程簡單的討論一下，我們再討論一下全世界為這些探測建了怎麼樣的實驗室。我們先來看一下直接探測，直接探測的想法就是你把一個探測器放在地底下，然後等待暗物質粒子來撞擊原子核，撞擊了原子核之後，原子核會進行反衝，所以因為暗物質粒子會把它的能量傳遞給原子核粒子，那麼如果你能把反衝的信號記錄下來，那你就探測到一個暗物質粒子。為什麼要把探測器放在地底下，那是因為這樣的實驗非常難做，例數太少，宇宙線就會產生很多干擾，放在地底下，我們可以用岩石來屏蔽宇宙線的干擾。
這個聽起來好像很熟悉，因為我們小時候都讀過守株待兔的故事，因為古代的時候有一個農夫，他做了一個樹樁，他躺在樹樁旁邊睡覺，等待兔子撞在樹樁上，他可以拿回家。那麼暗物質實驗非常像守株待兔的故事，科學家建一個探測器，放在地底下，等著暗物質兔子撞在探測器上面。當然我們跟農夫比，科學家是非常勤奮的。
關於暗物質探測，在全世界有極其厲害的競爭。可以說是暗物質直接探測全球爭霸賽，我們有北美的，有中國的，有日本的，有韓國的，還有南極的。特別是在中國這裡會比較多講一點，這是在四川的實驗室，這裡有兩個實驗，一個是上海交通大學領導的熊貓實驗，另外一個是由清華大學領導的中國暗物質實驗，接下來我會簡單講一下這些實驗的情況。
我們來講一下熊貓暗物質實驗，這個實驗最近十年才發展起來，這個實驗由上海交大的季向東教授和劉江來教授領導。左下角是實驗的示意圖，一個暗物質粒子，就是一個弱相互作用粒子跑來，跟原子核發生碰撞的時候，它會產生兩個信號，它會產生光信號，也會產生電子的信號，如果把這兩個信號記錄下來，表明有暗物質探測到了。右邊這個圖，探測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器裡面。
熊貓實驗在短短的幾年內，就成為世界上最靈敏的探測器之一，在幾次領先世界，在暗物質探測方面，這是非常動人的故事。組裡有一個學生叫談安迪，他畢業的時候寫了一篇文章叫「五年青春成為一名山底洞人」，他就記錄了五年工作的情況，極其辛苦。他在那裡講一句話就是「不曾哭過長夜的人，不足以語人生」。所以我建議同學可以去網上找一下他的這篇文章，我看了也很感動。
為什麼這麼困難，因為你要做世界上最好的實驗，最好的結果，建世界上最靈敏的探測器，要達到這樣的目標是極其困難的，比如說氣體你要進行提純，這個純度要很高很高，我把這個數字列在上面，百分比的小數點後面還有8個0，要達到這樣的條件是極其困難的。
講完了直接探測，我們再來講一下對撞機的實驗，世界上最大的基本粒子對撞機是在瑞士和法國的邊界，在日內瓦的郊區，叫大型強子對撞機。在這個圖里畫的圈就是對撞機的軌道，對撞機會把自己對撞到接近於光速的程度。根據愛因斯坦的狹義相對論我們知道，如果有質量，粒子有質量，是不可能真正達到光速的，但可以非常非常接近於光速。
因為在這個理論裡頭，暗物質粒子攜帶了弱相互作用，所以我們可以想像一下你對撞兩個質子的時候，就有可能產生一個暗物質，通過弱相互作用。但是這裡有一個問題，因為在這個理論里暗物質只攜帶弱相互作用，你這邊能產生它的時候，也不會在探測器上留下任何的蹤跡。在中國古代有輕功好的人，叫踏雪無痕，因為即便產生的時候，它會逃離探測器，不會留下任何蹤跡，所以是非常難探測的一件事情，我們需要想一個辦法。
這個辦法也是很簡單，我們在高中里學過物理學的知識，我們知道對一個過程來說，物理的過程來說，能量和動量是守恆的，所以我們可以想像，在碰撞過程中，質子或者夸克會輻射出一個光子來，所以最後的信號是兩個質子對撞，產生兩個暗物質粒子，一個光子，光子我們能測的，兩個初始的質子我們也能測，我們測到這些粒子之後，可以測出動量和能量。通過能動量守恆，我們就知道有沒有暗物質粒子在這個過程中產生。在十年前我自己就做過這方面的工作，所提的建議得到實驗物理學家的廣泛採用。
暗物質如何進行非直接探測，這個想法就是兩個暗物質粒子會碰在一塊，湮滅產生可見物質，像光子、電子等等。因為我們的銀河系就生活在暗物質暈裡頭，所謂暗物質到處都是，如果湮滅的過程能產生可見物質，我們就能探測到暗物質。
科學家到各地各處來建暗物質探測的實驗室。比如說美國的科學家去了南極，做了一個冰立方探測器，怎麼做？就是你在冰層挖大概2.5公里的洞，在洞裡放一個探測器，探測什麼？探測所謂中微子，中微子粒子跑過冰層的時候，和冰層里的物質相互作用，間接會產生光子，光子就會被探測器接收到。
上圖是國際空間站的實驗，由華人物理學家諾貝爾獎獲得者丁肇中先生領導，他把探測器放在了國際空間站上面，探測器能夠探測電子和光子的信號，如果暗物質湮滅產生電子和光子，這個探測器就會非常敏感。
還有中國本土的實驗，南京紫金山天文台的常進教授領導的悟空暗物質粒子探測衛星，在這裡探測器就放在衛星上面，它也是能尋找高能的電子和光子，如果暗物質粒子湮滅產生這些粒子，悟空的探測器就能探測到。
我們對暗物質粒子的搜索已經經歷了30年-40年的時間，到現在為止我們還沒有在實驗室中探測到暗物質粒子的蹤跡。所有關於暗物質存在的證據都來自天文和宇宙學的觀測，那麼我發現在中國詩人白居易的長恨歌里有一句話，能夠非常好的描述當下的情況，這句話叫「上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見」。科學家在尋找暗物質的時候，上天下地，找了好久我們都還沒有找到。
人類在面對宇宙未知的時候，是不會放棄探索的努力，特別是科學家，因為我們對宇宙實在是知道的太少了，我們只知道5%的粒子是由可見物質組成的，宇宙中95%都是不知道的，其中27%是暗物質。所以我們會不停的努力往前。我想在過去十年或者今後十年、二十年會在四個比較重要的方面突破，一個突破是理論的突破，我們過去30-40年尋找暗物質的設計都是基於弱相互作用粒子的理論，那麼現在我們應該拓寬我們的視野。在天文學中，我們應該發展更高解析度的天文觀測，能來仔細的研究恆星和氣體的運動，知道更多的暗物質的性質。從實驗的角度上來說，我們需要建立更大的探測器，需要更深的實驗室。
這張圖的中間，在現代世界上最重要的幾個實驗室的深度，有美國的好幾個實驗室，有日本的，有加拿大的等等。那麼你會發現看最右面的時候你會發現世界上最深的實驗室是在哪裡，是在中國四川的錦屏實驗室，希望中國在探測暗物質前進的道路上，做出更大的貢獻。
註：本文根據郁海波在未來論壇演講整理而來，有刪減，圖片由作者提供。