漫聊合集 從暗物質到人類文明：一場跨越億萬年的宇宙 “蝴蝶效應”

每秒鐘會有幾十億個暗物質粒子 通過我們的身體 而沒有人注意到它們 但它到底是不是由我們期待的 某種粒子構成的 這個正是科學家要研究的問題 暗物質這個話題 是咱們這個欄目的第一期內容 但當時講得很淺 節目時長也很短 那今天我們不僅要刨根問底的 追問一下暗物質到底是什麼 和你聊一聊最新的科學發現 此外呢 我還想和你聊一個瘋狂而大膽的假說 這個假說說的是 地球上存在人類文明 是一次極大的幸運 而這個幸運背後的重要推手 就是暗物質 熟悉咱們節目的朋友知道啊 我們不會聊那種巨大而縹緲的空話 也不會爲了神祕而故意的 把話說得很不清楚 既然我們聊到暗物質 就是要對它徹底的去魅 而不是說強調它有多麼的神祕啊 多麼的危險 所以呢 在正式開聊之前 我先要嘗試打破你對所謂看得見 摸得到這些概念的一切的刻板印象 爲什麼要打破這個印象呢 因爲如果你的腦海中認爲 一個東西它存在在那裏 總能被我們用某種方式給探測到 當然最直接的就是看到它了 如果它特別小 那我們總能用某種顯微鏡看到它吧 如果它特別的遠呢 那我總能用望遠鏡看到它對不對 但是你要注意啊 我們這裏說的看到 只可能有兩個原因 要麼是這個東西它發光 要麼是這個東西它反射光 所以才能讓特定頻率的光 進入到我們的眼睛 或者進入到我們的探測器 那一個東西它要是既不發光 也不反射光呢 有這樣的可能嗎 這個咱們就得說說發光和反光 更底層的機制了 一個物質它發光的本質是吸收能量 在釋放能量的這樣一個量子的過程 比如說啊 電子的能級躍遷就是這樣一個過程 當某一個原子裏面的電子 以某種形式吸收了外界的能量 比如說熱能 它從某一個低能量的狀態 變成某一個高能量的狀態 然後它在返回低能量狀態的時候 會有這樣一個能量差 這個能量差 就會以光子的形式被釋放出去 這裏有一個公式啊 你不理解也沒有關係 我讀給你 這裏的NEO就是光的頻率 H是普朗克常數 那E2-E1就是兩個能量的能量差 我之所以放一個公式在這 就是幫助你理解 不是說這個原子裏頭已經有個光子 在那等着蓄勢待發 被髮射出去了 而是說先有這個能量差 能量的差值 再以光子的形式把這個能量釋放出去 所以發光其實它是一個現象 而不是物體中的某種特定的屬性 那反光是什麼呢 在你的想象裏 反光不就是一個光子撞到一個物體上 再反彈到我們的眼睛裏 是這樣嗎 這也不對啊 這不是本質 在本質上 一個物質能反射光 它是光子和物質裏的電子 發生相互作用的一個機制 那光作爲一種電磁波 在物體的表面會引發電子 被迫跟着它一起振盪 那麼根據麥克斯維方程組 這些振盪的電子會輻射出新的電磁波 跟原來的電磁波頻率相同 但是方向相反 而這個電磁波體現出來的形式就是一束光 所以嚴格的來說 原來的那個光的能量是被吸收了 轉化成了熱能 剩餘的能量是由這個物質表面的電子 發光 新給着布出來的光 所以你看 鏡面雖然會反射光 但是它被光曬着還是會變熱 因爲有很多的能量在這個過程中被吸收了 我們說這裏的重點是 反光這件事本質上是一個電磁的作用 是電子對振盪波的反應 並不是咱們想象中 一大堆光子的小球撞到物體上那個樣子 所以有些物質你在原理上 就沒有辦法通過反光來觀察到它 咱們舉個例子 比如說中子星吧 那中子星它得是個實實在在的物體對吧 咱們總能打一束光在上面來觀察它吧 可以說幾乎完全不行 因爲中子星它表面的電子密度極低 所以就很難和射向它的光發生作用 咱們就只能觀察它輻射出來的射線 而且還不是普通的光 是X射線和γ射線 通過這些射線才能觀察到它 如果你打一束光在上面 可以說什麼都不會發生 那在這裏呢 我要和你說一句量子物理中非常經典的話 是意大利物理學家卡洛·羅韋利說的 他說世界並不是物體的集合 而是事件的集合 這句話很重要啊 再和你強調一遍 世界並不是物體的集合 而是事件的集合 翻譯成大白話就是 這個宇宙裏沒有所謂的物質 我們觀察到的所有的事情都是事件 都是現象 說實話年輕的時候 我並不理解這句話的意思啊 那在我的腦海裏 一個物體 一個原子 它在哪兒 我是不是能探測到它 這是我的能力問題 但它總是有一個特定的樣子 或者有一個特定的屬性 存在在那裏吧 而過去上百年的科學發展 已經讓地球上最聰明的一群大腦 轉變了思維 我們只能描述兩種東西 一種是基於數學提出的假設 另外一種是基於實驗數據 得出的觀測結論 所以嚴格意義上來說 我們看到的也只是實驗數據而已 當然我們看到的是屏幕上 發出來的光子 在我們的視網膜中呈現的 數據的圖像而已 如果你不能理解這句話的含義 那就沒有辦法對暗物質去媚 你還是會抱着一層懷疑去看待它 怎麼會有一種物質 我們無論如何都探測不到它呢 那我們再來加深一下理解 咱們不是總說看得見摸得到嗎 剛纔說的是看得見 那這個摸得到又是啥意思呢 當你的手指和桌面接近的時候 好像一個實在的桌面被你碰觸到了 但這不是真實發生的事情 在微觀上發生的事是這樣的 你手指上的皮膚細胞表面有原子 桌面的最外層也有原子 原子的最外層都有電子 而量子力學裏面有一個 拋力不相容原力 這個原理告訴我們 兩個電子絕對不能佔據相同的量子態 換句簡單的話說 電子和電子之間 不允許在一個軌道重疊 當它們的距離越來越近的時候 會產生一種叫做庫侖斥力的排斥力 這個排斥力會隨着它們距離的接近 而呈現指數級的增長 那我們的觸覺細胞裏有一種 叫做麥斯納小體的東西 它會檢測到電子的斥力 帶來的微小變形 然後把這個信號轉化成神經信號 傳遞給大腦 那如果不是我們的手指頭 而是某種儀器 那麼微觀上也是這個儀器 探測到了針尖上的原子 和目標之間的某種力 可能是化學鍵產生的力 靜電力 也可能是我們說的庫侖斥力 總之當我們談論觸碰的時候 絕大多數時候都是在談論 一種電磁現象中產生的力 你是不是還是很難想象 我們壓根就碰不到原子 那我可以再告訴你 沒有所謂一個實實在在的原子小球 在那裏等着被你碰到 如果按質量來看 原子核集中了原子質量的 99.96%以上 但是原子核的體積 只佔整個原子體積的幾千億分之一 你看這個數量 比一個人佔全人類的體積 這個佔比還要小得多 原子中絕大多數空間 都是空空如也的 什麼都沒有 也不會對任何的探測行爲 產生任何的反應 在我們科學中絕大多數的觀測方式 抵達到原子核之前 就已經和電子發生了 庫侖斥力的現象了 那麼至於怎麼深入到原子核 那就屬於高能物理的範疇了 我們今天就不展開講 我們拉回來 總之儘管很難 還是請你相信 主流的科學觀點認爲 如果咱們一層一層的往下挖 最終能挖到的 而從來不能討論一個物質 它本來是什麼 如果你能在思想上 稍稍接受這個理念 我們就可以用科學的視角 來看待暗物質了 用一句話來說 暗物質就是一種 絕對看不見的物質 無論你是用眼睛或者任何儀器 都沒有辦法看見它 它不發光 也不反射光 也不參與任何的電磁現象 所以你沒有辦法看到它 也沒有辦法摸到它 目前來說沒有什麼現象 能讓我們直接探測到它 它和我們理解的普通物質 僅僅有着微不足道的相互作用 而這個相互作用就是引力 我們後面會展開聊 當我們說起暗物質的時候 並不是什麼虛無縹緲的 一個神祕的概念 它們和普通的物質一樣 一起佔據着我們熟悉的 每一寸的宇宙空間 從當前的觀測結果來看 暗物質應該就在我們的身邊 它們可以直接穿過我們的身體 而我們不會注意到 它帶來的任何影響 因爲它的作用非常的弱 所以形成了完全獨特的一類物質 完全和普通的物質分割開來 而暗物質實際上佔到了 宇宙物質成分總量的85% 這裏我們說的佔比 指的是總的質量 如果說構成暗物質的粒子質量 和普通物質的粒子質量差不多 並且如果這些粒子 按照我們所理解的動力學 所期望的那個速度在運行的話 那麼計算結果就是 每秒鐘會有幾十億個暗物質粒子 通過我們的身體 而沒有人注意到它們 但它到底是不是由我們期待的 某種粒子構成的 這個正是科學家要研究的問題 在目前能夠探測到的程度上來看 暗物質是布和光發生相互作用的 而不同頻率的光 正是我們瞭解事物本質的主要的因素 那麼科學家想要搞清楚 暗物質具體是由什麼構成的 它會不會包含一種新型的粒子呢 如果包含 那麼這種粒子的性質是什麼呢 除了引力之外 它還有任何其他的相互作用嗎 會不會其實它也會參與 非常微小的電磁作用力 只不過我們需要非常高的精度 才能用光探測到它呢 儘管你在微觀上很難探測到暗物質 但是當大量的暗物質聚集到一起的時候 它會帶來非常明顯的引力效應 對恆星和周圍的星系 會產生可觀測的影響 暗物質會影響宇宙的膨脹 也會影響從遙遠天體到達地球的光線的路徑 還會影響所有圍繞星系運動的恆星的軌道 儘管暗物質不能被看到 也不能被我們察覺到 它卻在宇宙結構的形成過程中 扮演着非常重要的角色 暗物質是這個結構中還沒有被理解的 大多數的物質 咱們這麼說吧 沒有暗物質 宇宙就不會有足夠的時間形成現在的結構 暗物質團作爲種子 其實它是促進了銀河系 還有其他星系或者星系群的形成 這就好像下雨的前提條件是 空氣裏要有足夠的灰塵一樣 最早的一批水蒸氣纔有可能聚集成小雨滴 暗物質在宇宙發展的早期 就是起到了這樣的作用 前面咱們提到 科學家已經對多種形式的物質展開了研究 在研究這些普通物質的組成的時候 都是藉助某種形式的光才能幹這個事 從更寬泛的角度來講 其實就是利用電磁輻射來進行觀測 電磁輻射在我們日常所看到光學頻率的時候 就會以光的形式呈現 而在我們肉眼可見的有限的頻率之外 它又會表現爲無線電波 或者是紫外線輻射之類的 不管是通過顯微鏡觀察 還是利用雷達的裝置 或者是藉助照片上的光學成像 都能夠觀察到某一些現象 總之呢 不管我們採用哪種方式 其中肯定都會涉及到電磁效應 當然了 我們感知世界也不只是單單靠視覺 像是觸覺 嗅覺 味覺 還有聽覺 這些感官 都和帶電粒子的相互影響是緊密相關的 而暗物質 雖然它們在我們身邊 但我們既看不見它 也感受不到它 就是因爲它不參與這樣的電磁作用 當光照到暗物質上的時候 它就會直接穿過去 暗物質對任何頻率的光線 都沒有任何的一點反應 常常會有人問這樣的一個問題 暗物質的總量可是比普通物質多5倍 那傳統的望遠鏡 怎麼就探測不到它呢 但我們得反問一下 憑什麼宇宙中所有的物質 都應該能被我們探測到呢 我們只是宇宙裏 渺小的銀河系中 渺小的一顆星球上 一群渺小的生物呀 那螞蟻還永遠探測不到引力波呢 對不對 幾個世紀以來 物理學教給我們的最大經驗就是 有如此之多的物質 是人類探測不到的 爲什麼所有的物質 都應該和光相互作用呢 暗物質可以是那些 有不同的電荷 或者根本就沒有電荷的物質 因爲它不和帶電粒子發生相互作用 所以它就不能吸收或者反射光子 這樣的話如果咱們掰扯起來 暗物質這個命名其實是有點問題的 物質兩個字的問題不大 主要是這個暗字 通常情況下 我們看見暗的東西 其實是因爲光被它們給吸收了 但是暗物質並不暗 它其實就是透明的物質 普通的暗的物質是吸收光 而透明的物質是無視光 一束光可以抵達暗物質 但是不管是這個物質還是這束光 都不會在這個過程中 產生任何可以觀測到的現象 記得我們一開始就強調 在物理學中 宇宙中沒有什麼物質 我們只能觀測到現象 暗物質這個名字 還會導致另外的一些混淆 比如說 很多人都不能區分暗物質和黑洞 有不少人甚至認爲暗物質就是黑洞 黑洞是大量的物質 被擠壓到一塊非常小的區域的時候 形成的天體 任何的事物包括光本身 都不能逃脫它強大的引力場 所以進入到黑洞的光 都在黑洞裏面 在外部看起來 黑洞就是黑色的 它既不輻射 也不向外反射光 但黑洞有很多的性質是暗物質沒有的 或者我們可以說 它們其實是兩個完全不同範疇的概念 因爲任何性質的物質 都可以探索成黑洞 所以暗物質或許和黑洞的形成 也有一定的關係 甚至有可能有暗物質黑洞 另外一個常見的誤解 是把暗物質和暗能量搞混 顧名思義 暗能量它不是物質 而僅僅是能量 暗能量不像物質可以結成團 它是滲透在宇宙的各個角落的 暗能量的密度在宇宙的所有地方 都是均勻而一致的 它和暗物質是非常不一樣的 暗物質可以聚集成某種物體 在不同的地方密度會不一樣 它們就像普通的物質一樣 會被限制在恆星、星系 還有星系團之內 而暗能量的分佈總是均勻的 在宇宙演化的早期階段 那個時候宇宙中大部分的能量 都是由輻射攜帶着的 輻射這個東西 它稀釋的比物質要快得多 所以到最後物質就超過輻射 成了給宇宙能量貢獻更多的那一部分 而暗能量在宇宙早期的時候 在所有的能量密度裏 佔比其實是很小的 不過宇宙不是一直在膨脹嗎 那隨着它不斷的膨脹 物質和輻射都被慢慢稀釋了 輻射比物質稀釋的還要更快 可是暗能量就不一樣 它有一個很穩定的特點 它不會被稀釋 所以就這麼着 暗能量慢慢的佔據了主導的地位 現在差不多佔了宇宙能量密度的70% 這咱們就提一嘴 暗能量和暗物質不是一種東西 暗能量不在我們今天討論的主題 我們把話題拉回暗物質 儘管我們要區分出普通物質的 最基本的組成 也是一件非常難的事 但卻遠不如研究暗物質的基本組成要困難 不過這對科學界來說並不是什麼壞事 如果你問科學家最怕什麼 他們可能就是怕世界上再沒有什麼 他們可以去研究的東西了 對於每一個宇宙研究者而言 也正是上面的這些謎團 讓我們所處的這個時代更加激動人心 考慮到暗物質的主導地位 卻探測不到 物理學家們也就開玩笑的說 我們還居住在科學的中世紀 可能過去一百年的所有探索 我們都還沒有摸到宇宙的主流呢 那麼雖然所知甚少 我們還是說一說 我們對暗物質到底瞭解些什麼吧 當你走過一片森林 發現你的頭頂上有一群鳥突然飛散開 你或許不會直接遇到 驚動這群鳥的登山者或者是獵人 但即便如此 這些鳥的反應也能告訴我們 狩獵者的存在 同樣當你走在一條大街上 忽然看到有很多記者舉着相機 擁堵在一棟建築的門前 雖然你沒有辦法直接看到 但你肯定知道那扇門後面 有一個大明星或者一個重要的人物 同樣儘管我們沒有直接看到暗物質 但可以看到它對周圍環境的影響 天文學家利用這些間接的影響 來推斷暗物質的存在和性質 如今的測量以越來越高的精度 告訴了我們暗物質的能量比重 儘管比起電磁力來說 引力是一種更弱的力 但只要暗物質的量足夠多 匯到一起的暗物質 還會帶來可測量的影響 一切要從一個叫做弗裏茨茲維基的人 在1933年得到的推論講起 他觀察了後發作星系團中的星系速度 注意這裏說的是星系團 它是由很多的星系組成的一個大的團塊 在這個星系團中的物質帶來的引力 和裏面所包含的行星動能差不多 從而創造了一個穩態的系統 如果包含的物質量太低 那星系團的吸引力就會比恆星的動能小 那這些星系就會飛散出去 逃離這個系統 而星系的動能又和速度直接相關 所以他就去測量這些恆星的速度 根據測量這些速度的結果 自維基又計算了這個星系需要的總質量 而總的質量產生的引力如果足夠的話 才能拉住以這樣速度運行的星系 結果他就發現 所需要的物質總量 遠遠超過了觀測到的發光物質的總量 爲了解釋這個現象 自維基提出了一種物質 也就是後來我們知道的暗物質 因爲這個觀測並不難 計算也不難 所以很多科學家都彼此獨立地發現了這件事 而大家計算出來的暗物質 和發光物質的比例都很相似 差不多都是5倍左右 儘管很早就有了這些觀測 但在相當長的一段時間裏 暗物質基本上是被完全忽視的 直到20世紀70年代 暗物質這個概念纔再次流行起來 當時天文學家在對衛星星系 這個衛星星系就是那些 位於大質量星系附近的小質量的星系 天文學家觀察這些星系運動的時候發現 只有假設額外存在的看不見的物質 才能解釋這些星系的運動情況 正是像這樣的觀測 讓天文學家開始認真的探討暗物質這個課題 我們還是要再強調一次 沒有人能看見暗物質 但暗物質能通過引力影響它周圍的物質 甚至影響光 所以星系團的質量 也可以通過對光的引力透鏡效應測量 這個引力透鏡效應是什麼意思呢 它是說 位於其他地方發光物體產生的光線 會因爲物質或者暗物質的引力效應 改變它的傳播路徑 位於傳播路徑中的大質量的天體 會導致發光物體的光線發生偏折 這個星系團的質量越重 光的路徑偏折現象就越明顯 帶來的直接觀測現象就是 星系團上部的光線朝下偏折 右面的光線朝左偏折 假設光線按照直線傳播 往回追溯這些光線 對於最初產生光線的那個天體 我們就會看到多個像 這就像我們在水杯裏會看到 彎折的筷子是差不多的意思 而這樣的觀測和計算也驗證了 暗物質差不多就是物質的5倍的總質量 如果你仔細想一下 引力透鏡效應其實是非常有意思的 因爲它在某種程度上來說 我們是通過這種現象直接看到了暗物質 這就好比 你是怎麼看到遊戲裏有一個透明人的 因爲你看到前面一塊人形的區域 那裏的景色看起來有一點扭曲對吧 那我們所謂看到暗物質 也是這樣的間接過程 當然我們還是要強調只有現象 而不是看到物質本身 另外一個有意思的證據叫做子彈星系團 也叫米老鼠星系團 別看這名字聽着挺可愛的 但它可是宇宙中發生的了不起的大事件 所謂子彈星系團 是由兩個大的星系團撞到一起合併而成的 合併之前的星系團 都包含了暗物質和普通的物質 那麼在星系團的碰撞事件裏 普通的物質主要體現爲 星系中X射線輻射出的氣體 這種普通物質可以感受到電磁相互的作用力 這就能夠非常有效的阻止兩個星系團的氣體 繼續穿過彼此 那麼從觀測結果來看 就是隨着兩個原本的星系團運動的氣體 被阻擋在了中間的部分 而暗物質不管是和氣體還是和它自身 都幾乎沒有相互作用 所以它可以沒有任何的阻礙的互相穿過去 從而在合併的星系團外區 形成類似米老鼠耳朵的兩個球形的形狀 這個就好比兩股車流彙集到一起 所有的汽車會在中心區域擁堵成一團 而自行車則會更快的互相穿過 在擁堵成團的車輛外圍形成獨立的兩個團塊 當然了 外面的暗物質米老鼠耳朵不可以直接被看到 中心區域的氣體團可以通過X射線測量到 而天文學家也可以利用引力透鏡效應 在星系的外部區域找到暗物質形成的那兩個米老鼠耳朵 那我們剛纔說到所有的這些現象都清晰的指向 暗物質一定是存在的 這一點在當今的主流科學界已經沒有什麼疑義了 但是科學家們還不想止步於此 他們還是希望再往前追問一步 暗物質它究竟是什麼 或許你會覺得 聽我這麼一講 反正暗物質就是一種跟光不發生作用的東西嘛 但物理學家並不滿意 實際上人類歷史所有偉大的科學發現 都是從科學家不放棄的拋根問題開始的 那麼如今關於暗物質的問題就是 它在微觀上是一種什麼東西呢 有什麼其他的性質呢 我們知道了暗物質在宇宙中的平均能量密度 通過研究星系中恆星的旋轉曲線 我們可以估算出銀河系附近暗物質的密度 我們也知道暗物質是冷的 這裏的冷要加個引號 也就是說暗物質粒子的運行速度要比光速要小很多 那麼根據對前面說的子彈星系團的觀測可以推測 暗物質之間的自相互作用是非常弱的 正如它們和普通物質之間的相互作用也是非常弱的一樣 我們還知道暗物質它不攜帶電荷 目前我們只知道這些 但是你看這些答案 隱隱透露着一種讓人不滿意的含義 這就好像我們只知道暗物質它不是什麼 卻不知道它是什麼 我們只知道它不具備什麼性質 卻不知道它具備什麼性質 或許就像普通物質也有很多複雜的組成一樣 暗物質粒子也不是一種粒子 而是有很多種粒子 或許暗物質就在我們的身邊 每天都發生着只有它們自己才能發生的某種奇特的化學反應 甚至某種暗物質生命就在我們四周生存 用一種我們無法理解的方式彼此交流 這個扯遠了 再聊咱們就成零一節目了 我們依然不知道暗物質粒子的質量 雖然我們知道它們彙集到一起的總質量 但是大量的微小的粒子和彌散的巨大粒子 都能夠給出相同的暗物質平均密度 因爲不知道暗物質粒子的大小 所以也就不能計算出單個暗物質粒子的質量 甚至我們也不知道暗物質到底是不是由某種粒子構成的 幸運的是 在朝着揭開暗物質神祕面紗這個目標前進的過程中 人類的視覺限制只是一個不太重要的因素 我們前面說過 物理學家現在所有的觀測都是看數據 而不是隻靠眼睛去看東西 而數據是海量的 而現在主流的科學範式是這樣的 理論物理學家去建立一個模型 然後實驗物理學家去設計各種的實驗來驗證這個模型 當然所謂的驗證就是先產生海量的實驗數據 然後在這些數據裏挑出我們所需要的那些證據 而在我們對暗物質幾乎一無所知的情況下 建立理論模型的這些物理學家們就會嘗試着去想象 會不會實驗物理學家們還有哪些方面的數據沒有查到 或者其實已經有某種信號藏在了這海量的數據中 只不過還沒有被人們注意到 而歷史上有很多重要的發現 就是在數據的垃圾堆裏被撿出來的 比如說宇宙微波背景輻射 一開始就被認爲是接收天線上面鴿子糞造成的干擾 不過呢 理論物理學家們還是要先建立理論模型 才能去數據的海洋裏 尋找是不是有數據符合這個模型的預測 就好像我們先有了大爆炸理論 然後推理出宇宙大爆炸應該會殘留一些微波輻射 最後纔在所謂的鴿子糞數據裏找到證據 目前理論物理學家提出了幾個關於暗物質的模型 你可以聽聽看哪一個模型更可信 第一個候選模型叫做弱相互作用的大質量粒子 這個模型一直是理論物理學家和天體學家 心中最有可能用來描述暗物質粒子的候選者 注意這裏我們說的弱相互作用指的不是弱相互作用力 絕大多數弱相互作用的大質量粒子 它們之間的相互作用 甚至要比標準模型中弱相互作用的中微子還要弱 這個弱相互作用不是特別好理解 你就粗糙的這樣理解吧 有兩塊很重很重的磁鐵 但是它們的含磁量很低很低 所以乍一看這兩塊磁鐵挺嚇人的 但它們之間的磁力非常非常小 只不過我們需要把磁力變成其他的相互作用 如果這個假設是正確的 那暗物質簡直就在我們的鼻子底下 至少對於那些用大型強子對照機工作的實驗物理學家們來說 這種粒子的身份將會很快被揭曉 弱相互作用大質量粒子模型 這個模型的優點是和現在主流的模型是相關聯的 換句話說 它是在我們已有的理論體系下存在 只不過我們的實驗精度還沒有到發現它的程度 相比於其他暗物質的模型 弱相互作用大質量粒子更容易被證實或者證僞 這種假設的暗物質粒子和普通的物質粒子 除了引力相互作用 還存在着其他的相互作用方式 只不過這種相互作用十分的微小 我們需要依靠極高敏感度的實驗來記錄這些相互作用 不過到目前爲止 相關的探測結果卻依然是零 但是你知道 沒有任何一個實驗的結果是精確的零 實驗都會存在誤差 有的時候確實會出現一些很誘人的蛛絲馬跡 但是目前沒有人相信這些蛛絲馬跡 就是發現暗物質的確鑿證據 無論如何 這個方向是最有希望的 許多高能物理學家還是非常喜歡這個模型 第二個候選模型叫做非對稱暗物質模型 這種模型下的暗物質和已有的模型 存在一個非常讓人驚訝的巧合 這個巧合就是 宇宙中暗物質的總量和普通物質的總量是可比的 什麼叫可比呢 就是它們在一個數量級 這個其實並不尋常 當你第一次聽說暗物質的能量是普通能量的5倍的時候 你可能會覺得它們相差很多 但是在宇宙尺度上 如果兩個東西它不相關 那麼一個數值是另一個數值的成千上萬倍 這個纔是常態 比如說宇宙中殘留的正物質 和最初產生的正反物質總量相比 佔比就非常小 大概只有十億分之一 所以在宇宙尺度上 暗物質和物質的比例可以說是差不多了 從理論上講 如果一個物質組分的能量密度 遠遠高於其他物質組分的能量密度 那麼其他微小的組分將無法被觀測到 而我們知道在今天的觀測中 不同的組成部分都具有足夠高的能量密度 並且在觀測總量中的貢獻是在一個數量級的 根據這個非對稱的暗物質模型 暗物質的能量密度和普通物質的能量密度 它們之間的相似性並不是一個偶然 而是一個理論預言 那這個模型的概念是什麼呢 我們先看看普通物質 我們熟悉的普通物質也有一些奇怪的性質 特別是我們今天觀測到宇宙中普通物質的總量 普通物質的能量大部分都是以質子和中子爲載體 也就是我們說的重子 而這些重子是由一種叫做夸克的基本粒子組成的 按照當前的標準模型 隨着宇宙的冷卻 普通的物質會相互湮滅掉 那麼今天宇宙中存在的普通物質的密度 要遠遠低於現有的觀測 那物質跟什麼發生湮滅呢 剛纔我們提了一嘴 那就是反物質 反物質和我們說的暗物質不一樣 簡單來說 反物質粒子就是一切都跟物質粒子相同 只是帶相反的電荷 質子帶正電 反質子就帶負電 電子帶負電 而反電子帶正電 正反物質遇到一起就會互相湮滅 變成巨大的純能量 標準的熱力學理論預言是這樣的 早期的宇宙中正反物質的總量是一樣的 至少是幾乎一樣的 但事實上是 在正反物質湮滅的過程中 留下了大量的正物質 組成了我們的星系和我們的城市 顯然在宇宙演化的過程中 正物質的總量要超過反物質的總量 這種正反物質總量非對稱的主因 肯定是宇宙非常早期一些特殊的相互作用 和特殊的環境造成的 那麼非對稱暗物質模型就指出 因爲暗物質的能量密度 和普通物質的能量密度相比如此相似 也許暗物質也存在着對應的反暗物質 而它們產生過程中 也存在正反的暗物質的不對稱 如果暗物質和普通物質存在某種相互作用 即使它們之間的相互作用非常小 那麼有可能在宇宙的早期 這種相互作用曾經比較強 於是它們通過某種機制偶合在了一起 這樣的話 暗物質和普通物質 它們的能量密度是在一個數量級 這就不僅僅是一個巧合了 所以這個模型大概的意思就是 在宇宙的早期 暗物質和普通物質的互相作用很強 如果在那個時候宇宙中有生命 有科學家 那它們是很容易探測到暗物質的 但隨着宇宙的發展 大量的正反物質互相演變 同時有大量的正反暗物質互相演變 而最終的巧合是 雖然殘留的正物質含量極低 就是十億分之一 但正的普通物質和正的暗物質殘留 卻在一個數量級 所以暗物質到底是什麼 它具有什麼性質 這些問題的答案 應該去正反物質演變 這個理論中去找觀測數據 應該到宇宙發展的早期去找觀測證據 那不知道你聽下來怎麼樣 我自己對這個模型並不是很喜歡 主要是我覺得它言之鑿鑿的說了很多 但好像啥都沒有說 它只是說答案藏在宇宙發展的早期 卻沒有給出更多的證據 那接下來我們要說第三個候選模型 中微子或者和它類似的東西 在提出暗物質 物理學家們首先思考的是 是不是存在一種普通的物質 這種普通的物質之間 存在很弱很弱的相互作用 以至於它們看起來就像是暗物質一樣 那這樣一來問題就變成了 在標準模型的理論框架內 是不是存在一種 由標準模型粒子構成的物質 它們可以成爲暗物質的候選對象 而不需要引入額外的暗物質粒子呢 這種假設最先瞄準的基本粒子 就是中微子 這個東西經常聽咱們節目的朋友 應該比較熟悉了 簡單來說 在一個被稱作β衰變的輻射過程中 中子會衰變成光子電子和中微子 中微子這個東西 它不參與原子核的強相互作用 並且它自身不攜帶電荷 也就是中微子自身 不直接參與電相互作用 也就是說 除了引力之外 中微子只參與弱相互作用 它的另外一個性質就是 中微子非常的輕 質量是電子的百萬分之一 實際上每天都有大量的中微子 自由地穿過地球 穿過你穿過我 它們也被稱爲宇宙中的隱身人 由於它們的相互作用非常弱 所以中微子開始看起來 可能是暗物質的候選者之一 但是在主流的科學界 這個假設並不怎麼被看好 因爲中微子在標準模型中 通過弱相互作用力實現相互作用 這個弱相互作用力 不是說很弱小的力 它是當今物理學界中說的 宇宙中的四種基本力之一 也就是電磁力 引力 強相互作用力和弱相互作用力 而目前的一切證據似乎都表明 中微子參與了弱相互作用力 和引力這兩個影響 而暗物質只會被引力所影響 另外一個問題是 中微子的能量密度 也就是質量實在是太低了 前面我們說的觀測結果 暗物質的總量要達到普通物質的5倍 那需要太多太多的中微子纔可以 有人說 中微子頂多算是暗物質的一部分 那這個可能就是人類 怎麼對物質分類的文字遊戲了 但總量來看 目前的數字是對不上的 最後一個候選者的模型 叫大質量緻密天體 在這個模型下 暗物質也不需要新的基本粒子 它們就是一種無反射的宏觀的結構 我們沒有辦法觀測到這些天體 只是因爲它們不發光 這種暗的天體 被統一稱爲 暈足大質量緻密天體 英文名就是 Massive Compact Halo Object 從某種程度上講 並不是這些物質 有什麼不與光發生作用的奇妙特性 而就是簡單的因爲 它們周圍沒有足夠強度的光 來讓我們發現它們 這種天體僅有一點 甚至沒有可觀測的光輻射 所以儘管它們由普通物質組成 依然藏身於黑暗的宇宙中 沒有辦法被直接觀測到 我們前面說的黑洞 就是典型的 暈足大質量緻密天體 除它之外 還有中子星和赫矮星 黑洞咱們說過了 那麼中子星 是由超新星爆炸之後探索而成 是質量很大的恆星 在爆炸之後的遺蹟 這些恆星的質量不足以形成黑洞 但是超新星爆發之後 會形成緻密的中子組成的核心 而赫矮星是大於木星 卻小於正常恆星的一類天體的統稱 它們由於質量太小 而沒有辦法觸發核聚變 只能通過引力收縮來加熱自身的星體 在接受暗物質存在之前 其實很多人都先想到了這個答案 因爲這個答案更顯而易見 你甚至會覺得 什麼暗物質啊 就是遠處星系有大量看不見的天體 在貢獻質量嗎 搞那麼複雜幹嘛呢 當然科學家不會自己瞎找麻煩 我們說的暈足大質量緻密天體 成爲暗物質 還是存在一些問題的 首先就是比例的問題 我們說幾乎所有星系裏暗物質的總量 都是普通物質的5倍左右 而每個星系 都正好有這麼多看不見的天體 就有點太巧合了 另外就是根據觀測 暗物質需要相對均勻的分散在星系裏 這樣才能支撐目前觀測到的 星系旋轉曲線和星系的大尺度結構 而暈足大質量緻密天體的形成 是比較隨機的 那麼會不會有什麼 我們尚不知道的機制 讓所有星系裏都相對均勻的 等比例的產生這種 暈足大質量緻密天體呢 這些問題就是這個模型要探索的方向 好 那上面說到的幾種候選模型 就是物理學家們認爲 具有合理存在的可能性 但是這可不意味着 它們是唯一的可能性 或許未來人類可以有 更炸裂的突破性發現也說不定 這個也就是科學家們最期待的事 無論如何 暗物質在星系裏存在 這是肯定的事了 那最後我想和您聊一件 很有趣的事 它讓暗物質這個看不見摸不到的東西 和我們人類這個種族 有了一種很奇妙的緣分 美國物理學家 麗莎蘭道爾寫了一本書 叫《暗物質與恐龍》 今天我和你聊的不少內容 都來自這本書中的觀點 不過我個人呢 倒不是很推薦你去讀這本書啊 物理學家寫書多多少少都會有一些硬 可能有幾個不加解釋的名詞 就把小夥伴給卡住了 這本書裏提到了這樣一個觀點 人類能有今天的文明 有很大的可能 在白厄紀和第三紀的分界線上 發生了一次著名的物種淡滅絕 目前官方的名稱是 白厄紀晉古紀物種滅絕事件 這次事件發生在6600萬年前 在民間它有一個更爲人所知的名字 就是恐龍淡滅絕事件 這次淡滅絕發生後 哺乳動物成爲了地球上的主要角色 可以說啊 如果霸佔了主要資源的恐龍沒有消失 那麼大型哺乳動物可能永遠就沒有出頭之日 現在地球上恐怕也不會存在人類文明 是什麼造成了恐龍從這個星球上消失的呢 這個在很長一段時間裏 是困擾科學家和公衆的一個很大的難題 但是到了今天 一切的證據都指向了一顆巨大的彗星 撞擊在了地球上 相關的證據還是有挺多的 比如在墨西哥尤卡坦半島 找到了一個隕石坑 直徑大概是200公里 深48公里 正好形成於6600萬年前 同時這個隕石坑的鑽探數據顯示 撞擊之後20年形成的沉積厚度達到了130米 這個速度遠超過自然的沉積速度 應該是全球掀起的巨大煙塵導致的 另外在白厄紀的地層中 金屬一的含量遠遠超過地殼的正常水平 大概達到了300到500倍 這個一金屬我們很少見 這種元素在彗星中的含量是很高的 總之目前一系列的地質證據證明 大約在6600萬年前 發生了來自外星物體的巨大撞擊 而隨着地質學家的探索 另一個讓人在意的數據浮現出來 地球上的祕訣事件有着明顯的週期性 1977年普利斯頓的地質學家阿爾弗雷德 和邁克爾亞瑟就發現 化石記錄顯示 生命大滅絕的週期 大概是每3200萬年就會來一次 後來有很多新的科學家紛紛加入進來 他們經過研究發現 大部分的滅絕現象 都發生在以2700萬年爲週期的時間段內 上下可能差個300萬年左右 也就是地球上每隔2400萬年 到3000萬年左右 會發生一件很可怕的大事 那這個大事是什麼呢 人們繼續挖掘 又得到一系列驚人的事實 1984年 加州大學伯克利分校的理查德·穆勒 統計了2.5億年前到今天 所有半徑大於5公里的隕石坑 得到了一個週期 每2840萬年會來一批隕石砸向地球 隨後 美國國家航空航天局的理查德·斯圖斯爾 研究了另外一個包含41個隕石坑的樣本 這些隕石坑產生於2.5億到100萬年前 這個研究小組得到了一個 3100萬年的外來天體撞擊週期 1996年 日本的科學家們得到了類似的結果 過去三億年間的隕石坑 存在着大約3000萬年的撞擊週期 2005年 英國白金漢天體生物中心的教授 威廉納皮爾進行了一項研究 把這些數據統一到一起 得出了一個結論 天體撞擊是成組出現的 每一組持續大概一兩百萬年 它們的間隔是持續3000萬年左右 最大的一組撞擊發生在相對較短的間隔 而且白厄紀的恐龍大滅絕也發生在其中 到這裏 你是不是產生了一個直覺 物種滅絕的大週期和隕石撞地球的大週期 都是3000萬年左右 這兩個數字會不會不是巧合呢 會不會是地球上每隔3000萬年發生的大事件 不是來自地球本身 而是來自遙遠的太空呢 在太陽系的最外層 有一片由大量小天體構成的碎片雲 叫做奧爾特雲 奧爾特雲和太陽的距離 是地球和太陽距離的幾萬倍 這些天體離太陽如此之遠 以至於太陽的引力 只能讓它們處於非常不穩定的平衡狀態 我們知道引力的強度 是隨着距離的平方遞減的 所以在一萬倍的距離情況下 引力的影響將是原來強度的一萬億分之一 如果有一個足夠強的擾動 就可以把奧爾特雲中的天體 慢慢的推出它應該在的位置 結果就是它可能被甩出太陽系 也可能進入一個飛奔向太陽的軌道 在奔向太陽的過程中 它們就很可能被其中的某個行星吸引撞上去 比如地球 太陽系裏面有一些小行星和一些短週期的彗星 也會受到行星或者附近天體的推擠 偶爾也會撞上地球 和這些被擾動的小行星相比 彗星攜帶着多得多的能量 因爲它們的運動速度比小行星要快很多 每秒可以達到70公里甚至更快 而小行星的運動速度一般只有每秒10到30公里 顯然長週期彗星 也就是那些來自於遙遠的奧爾特雲的彗星 能帶來更強的破壞力 比如物種的大滅絕 它們之間還有另一個區別 作用於小行星上的作用力基本都是隨機的 而只有奧爾特雲的彗星 纔會被認爲受到週期性的擾動 那這個週期性的擾動又是什麼呢 過去的幾十年裏 天文學家提出了很多可能引起擾動的天體 比如從我們太陽系附近經過的其他恆星 但它們也都不符合這麼長的週期性 後來人們在更大的尺度下尋找週期 比如太陽是不是有一個不可見的半星呢 或者銀河系中的潮汐力呢 這些都有可能 但是計算結果也不指向3000萬年這個週期 我們說的這本《暗物質與恐龍》的作者 麗莎蘭道爾和她的同事開展了一項持久的研究 研究的過程我們就不展開說了 簡單來說 研究的結果是這樣的 銀河系形成於130億年前 當時所有的暗物質和普通物質坍縮到一起 形成了一個被引力束縛起來的結構 大約在我們的銀河系形成10億年之後 普通的物質開始向外輻射能量 進而坍縮到一起 形成我們今天看到那個亮亮的銀河系星盤 而與此同時 暗物質也形成了一個圓盤的結構 普通物質和暗物質盤通過引力相互作用 它們之間不是完全獨立的 這樣帶來的結果就是 普通的物質盤會伴隨着一個暗物質的薄盤 並且這個暗物質薄盤 會鑲嵌在普通物質構成的銀河盤中 這個理論有個名字 叫做雙盤暗物質模型 理論在推演的過程中有大量的計算和求證 咱們就不多說了 總之這個模型的推論是 有一個薄薄的暗物質盤 鑲嵌在厚實的普通物質盤裏面 這時候呢 暗物質所具有的吸引力 就會和相對比較彌散的 普通物質的吸引力交融在一起 如果暗物質粒子比普通的粒子要重 那麼這個盤會比恆星和氣體的星系盤更薄一些 在畫面上呢 就像在一個扁蛋糕的中間 加了一層更加密實的蛋糕 如果我們在銀河系這個盤子 從上往下看呢 太陽系是以2.4億年爲週期 繞着銀河系旋轉 而除了主要的公轉運動 如果我們在銀河系的側面來看 太陽系還以一個週期 在銀河系平面上下振動 那麼如果像以前一樣 我們只考慮盤中的普通物質對運動的影響 太陽在垂直方向的振動週期 應該是5000萬年到6000萬年左右 但是 如果銀河系平面上包含了暗物質盤 那太陽的垂直振動週期就會變短 因爲增加了暗物質盤質量之後 引力變強了 那麼引入暗物質盤之後 計算出來的週期是多長呢 是3200萬年 我們期待的那個數字好像出現了 這個盤的引力 自始至終都作用在太陽上 每當太陽系在垂直方向上 離開盤面最遠的時候 這個引力就把它拉回來 因爲銀河系幾乎沒有摩擦力 所以太陽系一直持續的以這個週期 在垂直方向上往復運動 而根據計算出來的厚度 太陽每次穿過這個物質盤 需要的時間大概是 100萬年到200萬年左右 還記得我們前面說到的 彗星和生命大面角的週期嗎 差不多就是間隔3000萬年左右 每一期持續大約100到200萬年 這一切的數字都驚人的湊到了一起 這讓我們不禁在銀河系的大尺度下 設下這樣一個畫面 我們的太陽系 在銀河系這個大盤子上下往復運動 每隔3000萬年 就要穿過一個由暗物質組成的薄盤 穿過它的時間是200萬年 這期間暗物質盤會引發額外的擾動 這些擾動會讓太陽系最外層 奧爾特雲中的一些小天體 其中的一部分會飛向太陽 又有一小部分被地球的引力捕獲 由此會規律性的引發彗星雨 在兩個這樣的週期之前 也就是6500萬年前 彗星雨中的其中一顆 給地球上的恐龍帶來了滅頂之災 同時也給哺乳動物騰出了生存發展的空間 這些哺乳動物中的其中一個分支 經過一代又一代的繁衍 誕生了一種叫做人類的後代 然後他們在某天發現了這個大尺度上的規律 需要強調和說明的是 這種學說還沒有被完全證實 它甚至只是一個瘋狂而大膽的假設 但這個假設是我們至今爲止 所知道的唯一一個 可以解釋週期性撞擊 和週期性大滅絕的理論 麗莎蘭道爾和她的同事馬修寫了一篇論文 這篇論文的題目叫 《暗物質引發了週期性的彗星撞擊》 他們特地沒有在論文中提到恐龍 因爲把暗物質和恐龍這兩個東西結合到一起 確實有點太不嚴肅了 這篇論文在《物理評論快報》上發表 馬修也把論文的核心內容發佈到互聯網上 他們半開玩笑的把這篇論文稱爲恐龍論文 最後這一切促成了 麗莎蘭道爾寫了這本《暗物質與恐龍》 並且促使讀完之後的我 來給你講述暗物質的故事 我並不會告訴你這個理論它就是真的 但這裏面涉及到的大數字的巧合 和它背後那種宏觀和微觀的命運交織在一起的 奇妙的美感 讓我體會到了一種前所未有的感受 我希望把這種語言無法形容的感受 通過這個故事分享給你 而如果這個理論是真的 那麼就在我錄製這個節目的此時此刻 我們的地球還被太陽裹挾着一起 週期性的往復的在銀河系的後盤中運動 未來每隔三千萬年 還會一次又一次的穿過那個暗物質盤 最後就用麗莎·蘭道爾的一段話 來結束今天的節目吧 從恐龍的視角來看 暗物質就是魔鬼 在這樣的視角 科學家命名它爲暗物質也是很明智的 但從人類的角度出發 這種新的物質類型 是一系列重要的意外出發者 而這些意外改變了地球生命的發展進程 基礎物理學和我們日常所見的世界之間 有着極爲複雜的聯繫 而我們往往很難發現這樣的聯繫 暗物質的坍縮產生了星系 恆星中心所產生的重元素 則爲生命的形成做好了準備 在我們的行星地幔深處 原子核衰變所釋放出來的能量 又驅動着地殼的運動 從而形成了我們見到的高山 而就我們所知 宇宙中只有一個物種 會對這些現象背後的原理不斷髮問 而每當它們探索已知世界的邊界的時候 總會有一想不到的大事情發生 研究暗物質從很多方面看起來都很難 但科學家們正在尋找新的方法來追蹤它 鮮豔的結果 會幫助我們揭開宇宙更多的神祕面紗 仰望星空就在你的周圍 一個被五倍於我們所熟悉物質所籠罩的 奇妙的宇宙 正等待着我們去追求 去擁抱 去探索