暗物質如果真的是一種物質，這些物質到底有什麼樣的性質呢？我們該如何去探測暗物質呢？
要說清楚這兩個問題，我們需要一些預備知識……
Antimatter is everywhere
01 反物質無處不在，你也接觸過？
有史以來觀測到的第一顆正電子的雲室照片。中間的粗水平線是一塊 6 毫米厚的鉛板。粒子軌跡的偏轉和方向表明該粒子是正電子。
大多數人都以為反物質只能出現在實驗室中，不會出現在我們的日常生活中，其實並不是這樣，我們每一個人都接觸過反物質，甚至可以說，反物質無處不在。一個最常被用來引用的例子是香蕉，不知道為啥，物理學家們非常喜歡用香蕉來舉例子。
可能是因為香蕉裡面含有非常豐富的鉀元素，極少量的鉀原子帶有放射性，100 克香蕉平均每秒鐘會有 15 個鉀原子發生衰變。發射出普通的帶負電的電子，但是，這裡大概有千分之一的機率會出現正電子。假如你手上握著一根香蕉，大約兩小時之內就會有一個正電子打進你的手裡。這個正電子要是碰到了普通的電子，就會發生正反粒子湮滅，變成了純能量。當然，這種極其微小的能量，你是一點感覺也沒有的。
Four basic forces
02 四種基本的力
那麼有的人仍然有疑問，為什麼有些元素會有放射性呢？為什麼會發生衰變呢？原因就在於一種叫弱相互作用的物理現象，正是弱相互導致了某些原子核是不穩定的。與弱相互作用相對應的還有一個強相互作用。一般來講，強相互作用會把原子核捆在一起，形成各種各樣的元素。而弱相互作用則會導致原子核不穩定，發生衰變。
放射性β衰變是由於弱相互作用引起的，它將中子轉變為質子、電子和電子反中微子
除了強弱相互作用，還有電磁相互作用讓原子能結合成分子，分子能結合成物質；另外還有一種相互作用就是我們最熟悉的萬有引力，它保證了我們能穩穩當當地站在地球上，保證了地球繞著太陽轉。
這四種基本的相互作用，或者說這四種基本的力，協同配合，就構成了我們看得見摸得著的物質世界。
好了，預備知識講完了。你可能想問，這和我們的主題暗物質有什麼關係呢？答案是大有關係。
Miracles of great force?
03 大力出奇跡？
回答暗物質到底是個什麼東西這樣一個高深的問題，讓天文學家來回答不合適，這事兒還是交給粒子物理學家去尋找答案。粒子物理學家們可以雙管齊下，一方面用大型計算機進行模擬計算，也可以呼叫大型裝置去做非常精密的實驗。
現在粒子物理學家們提出了很多描述暗物質的理論，最有希望的一種版本叫做 WIMPs 模型，全稱就是弱相互作用重粒子，後面為了講解方便，我就把它簡稱為“暗粒子模型”。
WIMPs 模型的藝術圖
說白了，科學家們也在猜測，暗物質顯然沒有電磁相互作用，所以我們看不到它們。強相互作用恐怕也是沒有的。但是，這種物質有引力，這是板上釘釘的事情。那麼有沒有弱相互作用呢？這成了瞭解暗物質的一個關鍵問題。
很多物理學家猜測，暗物質應該也有弱相互作用。暗粒子模型描述的暗物質粒子執行速度不快，但是質量很大，粒子的運動速度決定了物質的溫度，因此這種猜測下的暗物質也被叫做冷暗物質。
根據暗粒子模型計算出來的暗物質數量和天文觀測計算出來的數量比較相符，資料匹配特別好，而且也和宇宙大爆炸理論相符合。所以，物理學家們把它稱為 WIMPs 奇蹟。大家喜歡這個理論的另外一個理由是，這個理論是可以用大型粒子加速器或者其他的辦法去探測的，能夠用實驗去檢測是一個可靠理論必備的特徵。
歐洲核子研究中心有著世界上最大的對撞機 LHC，在粒子對撞的過程中就有可能會生成暗粒子。但是目前 LHC 並沒有探測到到什麼特別的跡象。看來想依靠對撞機，在實驗室裡面造出暗物質粒子是很難的，即便偶爾造出來了，恐怕也很難捕捉。這條路暫時是走不通的，還需要去想別的辦法。
大型強子對撞機 LHC 佔據了一條周長近 27 公里的地下隧道
Is dark matter a neutrino?
04 暗物質是一種中微子？
雖然暗粒子模型這種理論看上去很不錯，但是它也有解決不掉的煩惱。把這個模型輸入計算機，用大型超級計算機去模擬一種矮橢球星系的形成的過程，發現計算出來的數值偏大。冷暗物質會導致星系變成一鍋粥，顯得非常稠密。可是天文觀測到的矮星系並沒有那麼稠密。這麼來看，似乎冷暗物質又是不對的。不過，在科學研究中，如果一個理論在解釋大多數現象時都表現得很好，但是卻遇到了一個反例，這時候科學家們通常不願意推翻整個理論，而是想著能不能打一個補丁來解決。
冷暗物質（CDM）
於是，科學家們設想用另外一種理論來解釋矮橢球星系的問題。在現在人們已知的粒子之中，有一種中微子。這種粒子非常輕，而且也不容易和別的物質發生相互作用，所以這種粒子可以輕鬆地穿透整個地球，如入無人之境。
1970 年 11 月 13 日，首次使用氫氣泡室探測中微子。一箇中微子撞擊氫原子中的質子（照片右側三條軌跡）
過去大家以為中微子是沒有質量的粒子。但是後來發現，它的質量不為 0，但是非常微小。中微子的質量起碼比電子輕了上百萬倍。現在只能大概估計出一個大致的數量級。中微子也有不同的種類，而且會變來變去，來回變身。因此中微子也是一個神秘莫測的傢伙。
現在有些物理學家假設，暗物質粒子會不會是一種運動速度非常快的中微子呢？這也被稱為“熱暗物質”。他們把這個熱暗物質模型拿到計算機裡面去算，模擬矮橢球星系的形成過程，看看計算結果和實測資料是否匹配。結果發現這種熱暗物質會導致星系變成一盤散沙，根本無法凝聚。看來，熱暗物質的假說也遇到了很大的困難。
Scientific Questioning VS Blind Questioning
05 科學質疑 VS 盲目質疑
那麼不冷不熱的“溫暗物質”行不行呢？經過大型計算機的模擬計算，不冷不熱的“溫暗物質”倒是可以形成矮橢球星系。但問題是，補了西牆，卻拆了東牆，又有另外一些資料完全對不上了。
模擬熱（左）、溫（中）和冷（右）暗物質宇宙在高紅移（早期）時的結構
所以，到現在為止，暗物質的身份到現在仍然是一個謎，我們依然缺乏一個很有效的理論模型去解釋暗物質。暗物質似乎給粒子物理學家們設下了重重陷阱，你要想揭開暗物質神秘的面紗就不得不面對一個又一個的坑。這個坑你巧妙地化解了，說不定就掉進下一個坑裡。你的理論對這個現象可以完美地解釋，對那個現象則毫無辦法。
有一小撮比較另類的科學家則在旁邊竊笑不已，他們嚴守奧卡姆剃刀原理：“如無必要，勿增實體”，為什麼一定要假想一種說不清道不明的暗物質呢？為什麼只有添加了這種東西才能解釋星系邊緣恆星速度不正常的現象呢？難道你們就沒想過對現有的引力理論下手嗎？
這樣的想法足夠另類，到現在為止，以牛頓、愛因斯坦為首的科學家們歷經數百年建立起來的理論大廈經受住了無數嚴苛實驗的檢驗，但依然有一些科學家們懷著質疑精神。我必須告訴大家，科學地質疑與盲目質疑的區別在於，你不能只破壞不建設，為了質疑而質疑沒有意義，你必須要提出一個更好的替代品。這些科學家就試圖修正牛頓第二運動定律。
Correcting Newtonian mechanics?
06 修正牛頓力學？
這一派科學家雖然他們人數很少，但是他們在物理學界依然很活躍。科學與宗教的區別在於，科學沒有像聖經一樣不可侵犯的教義，科學只講邏輯和實證。無論是多數派還是少數派，任何科學理論必須經受全世界同行的評議，多數派科學家就認為那些修正牛頓動力學的努力有點像事後諸葛亮，他們純粹是為了湊出一根曲線，強行給牛頓理論打了個補丁進去。
現在的情況是，主流科學界遵循久經考驗的牛 – 愛理論體系，但是不得不引入一個目前還看不見摸不著的新物質。而作為少數派的理論不需要引入暗物質，保持了系統的簡潔性，但又對久經考驗的牛頓定律下手。總之，科學家們感到兩難。
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新理論必須能夠複製舊理論所有的成功之處； -
新理論必須能夠解釋新的現象，否則也沒有提出新理論的必要性； -
最重要的是新理論必須有預言能力，並且能夠在實驗和觀測上被驗證。
哪知道，2018 年 3 月的一個訊息，估計讓支援修正牛頓動力學的人要哭暈在廁所裡了。到底怎麼回事？咱們下期再聊。