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【文/ 觀察者網(wǎng)專欄作者 王孟源】

【編者按：中國暗物質探測衛(wèi)星“悟空”近期宣布了新的科學發(fā)現(xiàn)，國內外媒體對此有不同表述，有些媒體稱“可能發(fā)現(xiàn)了暗物質”，并視其為重大科學成果，但也有一些媒體采用了更加謹慎的表述。物理學界對“悟空”最新成果也各有評價，本文僅僅是作者的一家之言，雖是質疑，但其出發(fā)點是關心而非貶低中國的科技進展，觀察者網(wǎng)堅持百家爭鳴的態(tài)度，歡迎學者和讀者都來參與討論。】

物理界在1880年代就提出暗物質的猜測。一開始是因為銀河系外圍恒星的切向飛行速度太快，銀河系核心被觀測到的質量遠遠不足以提供所需的向心力。后來在20世紀發(fā)現(xiàn)同樣的問題也出現(xiàn)在更大的尺度上，星系團（Galaxy Cluster）和超星系團（Supercluster） 外圍成員的切向飛行速度也是數(shù)倍于核心重力能維持的范圍。如此一來，只有兩個邏輯可能，第一是每個星系（Galaxy）都有大量不參加強作用力（否則會與原子核有反應）和電磁力（否則會與電子和質子有反應）的暗物質；第二，是廣義相對論的重力方程式在星系以上的尺度必須有新修正項。

近年來，用各種間接手段觀測到的暗物質重力效應越來越多，要靠修改重力方程式來滿足所有的觀測結果也越來越難自圓其說，所以暗物質就成為天文物理界的主流理論。2017年11月有兩篇論文引起了學術界專家的注意和廣泛討論，剛好就是有關這個話題；一篇似乎是對的，另一篇則似乎是錯的。

頭一篇是UC Berkeley的Katelin Schutz在11月9日發(fā)表的論文：經(jīng)過觀測和研究，證明暗物質的重力效應，至少在銀河系內是完全球對稱的（Spherically Symmetric）。因為銀河系的可見物質成碟狀分布，如果暗物質的重力效應其實來自重力方程式的變形，那么應該也會看到碟狀而不是球狀的現(xiàn)象，所以這個新結果又再一次偏愛（Favor）了暗物質的存在。

另一篇是University of Geneva的教授André Maeder在11月27日發(fā)表的理論，是廣義相對論重力方程式的又一個新的變形。但是隨即遭到好幾個物理博主的無情反駁（參見Sabine Hossenfelder在11月30日的總結：http://backreaction.blogspot.com/2017/11/if-science-is-what-scientists-do-what.html ），基本上已經(jīng)確定是錯的。

至于中國的悟空衛(wèi)星，在11月30日發(fā)表于《Nature》的論文，號稱在1.4TeV的能階上可能發(fā)現(xiàn)了暗物質衰變產(chǎn)生的電子，雖然被中國官方廣為宣傳，不但充斥于中文媒體，英文的大眾媒體也多有報道，但是如此驚人的結果，物理專業(yè)的博客卻對它基本無視，既沒有慶祝也沒有反駁，《Nature》自己的網(wǎng)站也沒有出新聞報道，這是為什么呢？

前面提過，暗物質理論來自對重力現(xiàn)象的間接觀測結果；它不可能參與強作用力和電磁力，否則必然早已被直接觀測到。但是宇宙中還有第四種作用力，也是弱作用力；它太過微弱，所以暗物質是否參加弱作用力，目前的實驗和觀測很難完全排除其可能。其實客觀來說，希望很小，這是因為量子效應會在較低的能階也留下蛛絲馬跡，人類的對撞機已經(jīng)做到13TeV的能級，卻完全沒有看到任何這類的量子修正項，代表著在1TeV、10TeV、乃至100TeV的能級上，暗物質都不太可能有弱作用力的效應。如果理論非要硬拗不可，當然也做得到，只須要多加幾十個、乃至幾百個自由度，或者硬是假設精度極高的參數(shù)（例如弱作用反應項的系數(shù)被設定為0.00001），但是這些做法都是失敗理論的特征，嚴重違反了Occam's Razor。

美國的實驗學家為了取得政府巨資（雖然悟空的造價宣稱只有1億美元，即7億人民幣，但與悟空衛(wèi)星類似的AMS-02可花了20多億美元，亦即130多億人民幣）來花，就不能太清楚解釋這一點，而必須假裝暗物質參加弱作用力（叫做“WIMP”假設，Weakly Interacting Massive Particles）是個有根據(jù)的結論。剛好超弦的基本假設，也就是超對稱，天然就會產(chǎn)生WIMP，于是里應外合，高能物理的理論和實驗界都眾口一詞，把WIMP假設吹噓成主流理論，在過去十年里催生了許多個昂貴（即百億人民幣級）的實驗，專門要測量WIMP。這些WIMP實驗又分成兩類：第一類是在很深的地下，用大量同位素穩(wěn)定（亦即沒有會自發(fā)衰變的同位素）的介質，藉以觀察其原子核與WIMP直接進行弱作用力反應，例如美國的LUX實驗和中國版Panda X。第二類則是用衛(wèi)星來測量WIMP在銀河系空間中因弱作用力而自行衰變產(chǎn)生的正子和電子對，例如美國的AMS-02和中國版悟空衛(wèi)星。