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玉山高并两峰寒的博客

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【万古杂志】暗物质  

2013-05-14 14:21:14|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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自然对我们所有人都玩了一个认识论的把戏。我们能观察到东西每个都有一种存在,但我们无法观察到的东西可以有无限种存在。一个好的理论应该是所有能解决问题的理论中最简单的一个。暗物质是对于一个复杂的理论最简单的解决方式,而不是对于一个简单的理论最复杂的解决方式。

【万古杂志】暗物质 - 玉山高并两峰寒 - 玉山高并两峰寒的博客

LUX的光电倍增管阵列,南达科他州。照片由Luxdarkmatter.org提供

我坐在华盛顿大学的的办公桌上,试图保持活力。缺乏活力的不是我,而是我的计算机模拟。事实上,走下大厅的同事可能会认为我也是缺乏活力的那个。当我告诉他们我正在揣摩关于暗物质的理论时,他们开始揣摩我。我不认为大楼里有任何人相信它。

在演讲中,我指出暗物质有助于解决许多宇宙学难题。“奥卡姆剃刀”定律是我的杀手锏:事实上只要一个假定的设想就能解释很多难题。然后我谈到标准的暗物质不能解决的难题:我们的银河系附卫星星系较少,小星系的内部形状不一致。我再次调用“奥卡姆剃刀”,说明只要在标准的暗物质上添加一个弱自相互作用,其粒子碰撞时微弱的散射图案可以解答这些问题。接着有人会问我是不是真的相信这一切。棘手的问题。

我们看到的世界是一种假象,虽然是非常持久而稳固的假象。我们已经逐渐习惯一种想法,那就是自然的本质是一种不确定的量子场,我们所看到的不一定是事实。暗物质就是这个概念的一种深入延伸。似乎宇宙中的大多数物质一直隐藏在我们的视线之外。这使得物理学家和广大市民处于一种同样的不安处境。物理学家们担心,他们不能推导出一个可以被明确证实的预测,或者在发现物质本身取得突破。更多人们发现如此神出鬼没,难以捉摸的物质是很难接受的。事实上这种情形与一个世纪前关于以太的争议有不祥的相似之处。

在19世纪后期,科学家困惑于电磁波(例如,光)如何在真空中传播。例如我们最熟悉的水波 - 是水本身在震荡 - 显然电磁波中必须有某种介质在震荡。因此出现了'以太'的概念,人们假想宇宙中到处都存在着一种称之为以太的物质。

1887年美国科学家阿尔伯特.迈克尔.逊和爱德华.莫利做了一个著名实验,来探测以太的存在。他们的依据是如果光线传播需要介质,那么地球应该要穿越这个相同的介质。从而设计了一个巧妙的设备来测试这个想法:在一个容器里装满液态汞,汞上漂浮着精密的光学表,该表可以在任何方向旋转。实验的目的是随着装置的旋转或地球绕太阳的公转比较不同方向的光束的波长。地球沿其轨道运行时,一定迎面遇到以太,光束应该会受到阻碍,波长会被压缩。六个月后,阻碍的方向将扭转,波长应该会扩大。但令人惊奇的是,无论什么方向的光束波长都相同。没有迹象表明存在预期的介质。以太似乎是一个错误。

这并没有令所有物理学家都否定以太的存在。直到至少有一些以太支持者去世后,喧嚣的论战才渐渐平静。莫雷自己都对实验结果不敢置信。只有事后迈克尔逊 - 莫雷实验才被看做以太不存在的证据,而且因为它的横空出世,更加巩固了阿尔伯特·爱因斯坦的相对论。

暗物质,暗能量,暗钱,黑暗市场,黑暗生物,黑暗的词汇,暗基因组:科学家们似乎热衷于在任何知之甚少,或者难以直接领悟的重要现象前加上“暗”。黑暗,换句话说,就是隐喻。然而,起初它的意义是相当字面化的。在20世纪30年代,瑞士天文学家弗里茨·兹维基观察到一个星系团。所有星系都聚集在一起,围绕彼此以异常快的速度旋转。很难解释他们为什么不会因为缺乏向心力而飞散开。除非存在一个引力非常大的,看不见的物体。兹维基非常随意的假定存在某种'暗'物质:他只是认为存在一些看不到的物质。但天文学家们继续在整个宇宙中寻找到大量信号,表明这种“暗”物质的存在。例如,恒星星系旋转速度太快。事实上,似乎暗物质是我们的宇宙中最常见的物质形态。

暗物质也是最难以捉摸的。它不与本身,或者在恒星,行星或人类中发现的普通物质产生强烈相互作用。只能通过其引力作用推断出它的存在,令人恼火的是,引力是基本力中最弱的。但是引力又是唯一重要的长程力,这解释了为什么暗物质大规模的支配了宇宙的结构。

那些轻视暗物质的天体物理学家们往往会发现自己已经从主流落伍了

在过去的半个世纪中,我们已经制定了宇宙学的标准模型,它相当不错的描述了我们观察到的宇宙。起初,大爆炸造成了宇宙迅速扩张,为整个宇宙物质密度的波动埋下了伏笔。随后的137亿年,那些大密度物质在引力的作用下聚集,最终形成了暗物质的宇宙支架,明亮的星系聚集在其引力周围。

宇宙学标准模型被大量的数据所验证,包括无处不在的的宇宙辐射场,星系在天空中的分布情况,以及星系团的碰撞。无论是这些大量的观测值,专业理论,还是许多天文学领域的独立分析,都强有力的支持了包含暗物质的宇宙模型。那些轻视暗物质的天体物理学家们往往会发现自己已经从主流落伍了。这并不是说它是一个特别漂亮的理论,只是没有其他能持续成功预测的替代理论存在。但没有一个理论能解释暗物质究竟是什么。这是物理学里一个尚未解决的巨大难题。

所以天体物理学家们开始不断探索。用粒子加速器来筛选数据,用探测器进行地下探测,把望远镜对准太空。现代的实验已经筛除了大量错误理论,可行理论越加集中。乐观者认为暗物质的性质可能在几十年内被发现。而悲观者认为它可能永远不会被发现。

我们正处在一个发现的时代。已经构建了一个更很好的能够管理我们业已发现的基本粒子的理论。这个理论同样预示着其他迄今未被发现的粒子存在。几十年前,理论家意识到可能存在一个所谓的弱相互作用重粒子(WIMP)。这类粒子拥有所有暗物质的特性,并且很难发现。如果暗物质的确是WIMP,那他们与普通物质的相互作用十分微弱,仅能通过刚刚开始建立的暗物质实验来探测。其中最有希望的可能是南达科他州进行的大型地下氙(LUX)实验,这是世界上最大暗物质探测器。能够探测到最微量的亚原子粒子。然而尽管LUX拥有极高的灵敏度,寻找暗物质本身依然是一场持久战。自今年2月开始在一个金矿原址运行以来,探测器唯一捕获到的粒子是宇宙噪声:纯粹的干扰。

根据理论物理学标准范式过去的成功,我们希望找到一个通用的暗物质粒子 - 暗物质。不过可以说,没什么证据显示能够发现任何东西。英国物理学家约翰·D巴罗在1994年说:“宇宙没理由应该围绕我们的方便来设计。”想起这些警告,似乎可能性如下:


暗物质存在
暗物质不存在

如果存在,那么


能够被检测到
不能被检测到

如果不存在,那么


能够证明其不存在
不能证明其不存在

支持天文学家们断定暗物质存在的观测数据似乎非常有力,难以被推翻。所以主张暗物质不存在的天文学家们最常见的论据是我们关于重力的理解一定存在什么错误 - 爱因斯坦关于重力的预言存在漏洞。不过这将彻底颠覆物理学的基石,所以没有多少人认同这种说法。另一方面,如果暗物质存在,但是不能被检测到,也确实会让我们处于一个非常尴尬的位置。

但我们正在经历一个宇宙学的黄金时代。在过去的二十年中,我们已经有了很多重大发现,我们测量了宇宙大爆炸的残余辐射的变化,了解到宇宙正加速膨胀,瞥见了黑洞和宇宙中有史以来最亮的爆炸。在未来的几十年里,我们可能观测到宇宙中第一代恒星,绘出几乎完整的物质分布图,通过引力波听到黑洞的灾难性合并。但即使在这些辉煌中,暗物质依然提供了一个独特的诱人前景,将会汇合新的观测结果,理论,技术和资金(我们希望)。

物理学家本来可以因为没有任何发现而放弃,但总是有一丝可能性引诱着我们,也许我们只是需要一个更好的实验

各种检测建议基本可以分成三类:人工创建(粒子加速器),间接检测,直接检测。最令人振奋的是最后一类,研究人员试图在直接野外检测WIMP。地下LUX检测器是新一代的超敏感性试验的顶尖设备之一。 它用来计算WIMP与常规原子的交互频率。在这些实验中检测目标通常非常纯净,例如纯净的元素锗或氙气,检测目标被冷却至极低的温度,并且严格屏蔽来自外部的粒子。但问题是总有离散粒子闯入。闯入粒子的相互作用被严格监测。只有降噪,屏蔽和细心的统计,才能从误报事件确认真正与暗物质相关的相互作用。

理论家们为标准WIMP与其他物质的相互作用设想了很多种可能性。其实,第一代实验已经排除了所谓的Z-玻色子散射作用。剩下的就是希格斯玻色子介导的散射,这将涉及大型强子对撞机去年11月在日内瓦发现的粒子。这意味着相互作用会非常弱,但新一代的实验的高灵敏度完全能够胜任。

话又说回来,在科学上证伪易,证是难,检测上的毫无结果给暗物质叠加了一个相当令人关注的的限制。与此同时越来越多的让人联想到以太争议,抛出了一些需要搞清楚的异常现象。意大利DAMA(“暗物质”的简称)实验选择了与LUX不同的检测方向,宣称他们已经从他们的暗物质信号中发现了一个年度调制。反对者质疑他们是否真的有任何信号。就像以太一样,我们期望看到这种逐年的变化,例如地球绕太阳旋转,有时随着较大的星系自转同向转动,有时相反。 DAMA检测到了这样一个年度调制。其他竞争实验(例如XENON, CDMS, Edelweiss 和ZEPLIN)没有,但这种实验不能像这样直接比较,所以我们可能最好持保留意见。

大自然可以相当残酷。物理学家本来可以因为没有任何发现而放弃,但总是有一丝可能性引诱着我们,也许我们只是需要一个更好的实验。或者我们可能会发现暗物质并不比普通物质复杂。以前的实验已经大大减少了我们所预期的复杂性, - 暗物质人,甚至暗物质化学都不可能 - 但仍然有很多可能性。我们可能会发现一种粒子,但仅仅能够解释一小部分的暗物质。

从某种意义上说,这已经实现了。中微子难以捉摸,但普遍存在(每秒有60亿中微子通过小指这么大小的区域)。他们几乎不与普通物质发生作用,在1998年之前人们以为他们完全没有质量。事实上,中微子的质量只占的宇宙一小部分,他们像一个奇怪的一种暗物质。他们不是“暗物质”,但也许并不存在单一类型的暗物质。

与其说我们正处在一个发现的时代,不如说我们正处在一个求知欲旺盛的时代。物理学家认为要是我们不把暗物质认定为WIMP,那我们本应该已经取得了一些成就。这岂不是一个发现?与此同时,该领域的理论正百家争鸣,蓬勃发展。有一种想法是暗物质存在相互作用,但我们可能永远都探测不到。在这种情况下,暗物质相互作用极其微小,不会影响标准宇宙学。它甚至可能有自身的特殊宇宙:一个暗宇宙。这种可能性立刻使得物理学家既害怕又着迷。我们可以设想一个复杂的暗物质王国,除了通过重力与我们世界相互作用外永远不会被我们发现。暗宇宙将类似于一个平行宇宙。

要是所有修改都非常微弱的话修改暗物质的基本思想是很容易的。这正是所有暗物质理论家正在做的事。我认为暗物质可能存在自相互作用,并通过用超级计算机模拟星系来验证。在宏观上,宇宙学模型已经做出了正确的预测,这种修改确实没有太大意义,但在微观上,传统的暗物质理论开始捉襟见肘,但修改过后的暗物质理论则有助于解决几个难题。模拟结果很漂亮,推导出了可接受的预测。然而太自由参数太多了 - 科学家称之为微调 - 有意无意使调整后的结果能够符合观测值。这就是我为什么持保留观点,你最好也这样做。

我们可能永远不会知道暗物质是否存在自相互作用。在最乐观的情况下,我们可能能够推测出这种相互作用的强度上限。所以,每当人们问我是否认为暗物质的自相互作用是正确的理论,我的答案是否。我只是阐述一种可能性,不对这种可能性下断言。虽然这有点令人失望,是吧?当然宇宙学应该拥有一些我们有希望掌握的深层次真理。

也许有一天,LUX或它的某个竞争对手可能会发现他们所寻找的东西。 也许在某些不起眼的超级计算机,我会发现暗物质某个隐藏的真相。无论最终发现了什么,都将和我们所能感受到的世界相距甚远。它和我们之间的交互,隔着好几层幽灵一般的神秘机制。暗物质的宇宙是我们的宇宙的一部分,但它永远不会像我们的宇宙。

自然对我们所有人都玩了一个认识论的把戏。我们能观察到东西每个都有一种存在,但我们无法观察到的东西可以有无限种存在。一个好的理论应该是所有能解决问题的理论中最简单的一个。暗物质是对于一个复杂的理论最简单的解决方式,而不是对于一个简单的理论最复杂的解决方式。然而,这不能保证它会成功。无论天体物理学家是否能在概念意义上发现它,我们永远抓住它。它游离在掌控之外。无论如何,生活在一个大部分都是未知的宇宙就好像生活在一个可能性无穷的王国。


【附】太空中的十大神秘事物http://select.yeeyan.org/view/385576/355436

宇宙是一个神秘莫测的地方。下面我们就来看看宇宙中最让人捉摸不透的几样事物。


反物质

就像超人有一个邪恶版的化身比扎罗(Bizzaro)一样,组成日常事物的微粒也有对应的相反版本。比如一个带负电的电子对应的反物质是带正电的电子。根据爱因斯坦提出的等式E=mc2,物质与反物质相碰时会互相消磨,将他们的质量转换成纯粹的能量。未来一些航天器将采用反物质引擎。


微型黑洞

如果最新爆炸性的引力理论——“膜宇宙”(braneworld)是正确的,那就是说我们太阳系周围遍布着成千上万个小黑洞,每一个都与原子核一般大小。和那些大黑洞不同,这些微型黑洞是最初宇宙大爆炸时的遗留物。它们和第五维度有着不同的联系,从而对时空有着不同的影响。


宇宙微波背景辐射

这种辐射是在最初诞生宇宙的那次大爆炸中遗留下来的,亦被称为CMB(Cosmic Microwave Background)。它第一次被侦查出来是在20世纪60年代,因其产生的无线电噪声似乎遍布宇宙的各个角落。CMB的存在被视作是大爆炸理论最好的证据之一。威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)最新的精确测量结果显示CMB的温度为华氏-455度(-270摄氏度)。


暗物质

科学家们认为暗物质组成了宇宙中的大部分事物,但用肉眼或是现有的科技手段都无法观测到它。小至轻量级的微中子,大到无形的黑洞,都有可能是暗物质。有些科学家质疑它究竟是否存在。他们认为如果更好地了解了引力,由暗物质产生的种种谜团是可以得到解释的。


系外行星

一直到20世纪90年代初,我们熟知的行星还都只是太阳系内的那些。此后,天文学家们发现了超过500颗系外行星(截至2010年11月)。从体积庞大但质量轻小的气体星球,到环绕着昏暗的红矮星的小石块,均有包含。寻访第二个地球的任务仍在继续。天文学家们普遍相信随着科技的进步,我们最终能找到与地球相似的世界。


引力波

据爱因斯坦的广义相对论推测,引力波是时空构建扭曲的产物,以光速传播,但极其微弱,据科学家们预测只有在发生重大的宇宙事件,比如上图所示的黑洞合并时,才可能被检测到。LIGO和LISA这两种探测仪就是专门为捕捉这种引力波而设计出来的。


星系吞噬

就像地球上的生命一样,星系之间也会互相吞食,逐渐进化。银河系的邻居仙女座,目前正在享用它的一颗卫星。它旁边分散着的星团已经超过了一打,这些都是过往吞噬所留下的残食。上面这张就是仙女座和银河系相互碰撞侵蚀的模拟图。这一幕将会在30亿年后上演。


中微子

中微子是电荷中性,几乎没有质量的基本粒子,可以畅通无阻地穿行数英里。说不定在你正读着这篇文章时,就有几个中微子穿过了你的身体。这些幽灵般的粒子,或在正值壮年的行星的内燃火焰中产生,或在垂死的星球发生超新星爆炸时形成。中微子的探测器被放置在地下,海底以及冰川之中。最后一项是中微子探测项目——冰立方(IceCube)的一部分。


类星体

这些耀眼的光亮来自于我们视线所能及的宇宙边缘,有助于科学家们研究形成初期还处于混乱状态的宇宙。类星体释放的能量比数百个星系加起来还要多。它们通常被认为是遥远的星系中心的巨大黑洞。以下图片是摄于1979年的类星体3C 273.


真空能量

量子力学告诉我们,真空区并不像表面上看来的那样空,而是充满了泡沫般不断产生又不断破灭的亚原子粒子。根据相对论,这些稍纵即逝的粒子给每立方厘米的空间都赋予了一定的能量,从而产生了反引力的力量,推动空间彼此隔开。然而,到底是什么加速了宇宙的膨胀,却是无人知晓了。

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