專訪國家天文臺王傑：探測暗物質的方法已經窮盡 這是人類共同面臨的困境

文 | 崔玉賢

出品 | 本站科技《逐夢星空》欄目組

精彩觀點：

他是誰？

由他領銜的國際研究團隊，利用中國和歐洲的超級計算機，採用一項全新的多重放大模擬技術，在當前標準宇宙學模型下，首次獲得了宇宙中全質量尺度暗物質暈內部結構的清晰圖像，這一重要發現已於北京時間2020年9月3日凌晨在國際頂級學術期刊《自然》發表。他就是中國科學院國家天文臺的研究員、博士生導師王傑。

正文：

你知道嗎？每一秒鐘都會有暗物質穿過你的身體，它也在不斷地進入你的五官。根據研究測算，暗物質大約佔宇宙所有物質的84%，餘下的16%則爲普通物質。

按照科學界的主流計算模型，假定暗物質粒子爲質量100GeV（約100個質子的質量）的超對稱粒子，那麼我們周圍暗物質粒子的密度大約爲每立方米爲5000個左右。

然而，這樣一個主宰宇宙的物質，我們卻對它知之甚少，甚至還無法觀測它，只知道它是一個確定的存在。而人類正在窮盡各種方式來捕捉暗物質的蹤影。

比如天上負責探測暗物質粒子的“悟空”天文衛星；地下位於四川省錦屏山的地下2400米深的實驗室等等。

“人類花費了很多力量和投入去尋找暗物質，它可能是下一代物理學或者新物理的突破口。”中國科學院國家天文臺的研究員王傑如此形容研究暗物質的重要性。

人類一旦弄清楚暗物質的組成以及特性，不僅會拓寬人類對物質世界的認知，更有可能超越當前人類所有的已知理論模型，改變人類的生活，就像100年前量子力學一樣。

雖然人類尚未觀測到暗物質粒子，但王傑帶領的國際團隊已經通過超級計算機數值模擬，看到了暗物質在宇宙中的分佈，這是人類首次揭示宇宙中從最小質量到最大質量的暗暈內部結構清晰圖像。

這一重要發現已於北京時間2020年9月3日凌晨由國際頂級學術期刊《自然》發表。

據王傑透露，爲不斷提高數值的精確度，團隊光開發就花了5-6年的時間，只爲了將再模擬中力的精確度精確到百萬分之一，目前全世界只有王傑團隊能夠做到如此高精確度。

有了這一重大發現之後，王傑團隊還將研究重子物質對暗物質分佈影響及預測如何確定暗物質的屬性。

以下爲本站科技等媒體在2021未來科學大獎週期間，採訪中國科學院國家天文臺研究員王傑的部分內容：

問題：對於暗物質，大衆知之甚少，感覺很神秘，如果用一句話來形容暗物質，您會怎麼形容？暗物質研究對人類來說又意味着什麼？人類對宇宙的瞭解目前處於怎樣的狀態？

王傑：暗物質，前面“暗”字是個形容詞，只是暫時“暗”。因爲這種物質我們目前爲止沒辦法觀測到它，它不發光，但是將來可能有其他手段“看”到它，從而對暗物質有進一步的瞭解。

如果我們認爲暗物質是超對稱粒子，那它與反粒子是一樣的，它們相互碰撞就會湮滅，從而發光，發出伽馬光子，這時候就可以看到它。 但是到底什麼時候能“看”到暗物質，我們不知道。

從目前理論上來說，我們離開暗物質還真不行，我們確實需要它，因爲沒有它，當前很多理論都需要修改。所以“暗物質理論”是最漂亮的理論，能解釋目前大部分的關鍵事實。

所謂離不開暗物質，如果星系裡不存在暗物質的話，那麼星系的旋轉曲線就解釋不了。如果宇宙中沒有大量暗物質存在的話，那麼宇宙可能不會是現在加速的膨脹。所以如果沒有暗物質，這些觀測事實都沒辦法解釋，我們需要它的存在。

對於暗物質的研究，對人類來說意味着什麼？意義就在這個“暗”字，如果我們真的能看到它，暗物質對我們來說是一個明的東西，會有兩個重要意義：

第一，我們可以真正瞭解暗物質，明確暗物質是什麼，可以拓寬我們對物質實體的認知，拓寬我們知識的領域。

第二，暗物質可能超越當前的標準粒子模型存在，它可能是一種完全超越我們目前所有的理論框架，就像當年廣義相對論和量子力學誕生一樣，將人類的整個認識提高到另一個層次。

爲什麼全世界都在花費很多精力與金錢去尋找它，想看到它，想把“暗”物質變成一個真正的“明”物質，以上就是原因所在。

目前探測暗物質的途徑有三個：

第一，通過大型對撞機生成。但目前能級非常有限，能級每提高10倍，大型對撞機的花費就要翻成百上千倍左右，代價實在太高了，目前的對撞機的能級還沒有看見暗物質粒子；

第二，間接探測。如果空間存在很多暗物質粒子，一立方厘米裡大概有10個或數10個暗物質粒子，它們不停地穿過我們的身體。如果我們在一個沒有任何干擾的情況下，比如地下其他物質不會穿到地下，暗物質穿到地下實驗室裡跟物質作用的話，就會留下作用痕跡，就可以知道暗物質的存在。所以你會發現世界各地包括中國的PandaX都去地下很深層的十幾公里以下做實驗，就爲了找到暗物質；

第三，天體物理的效應，假設暗物質粒子它真正能有自主相互作用，比如會湮滅，就會產生高能光子，甚至產生很多正負電子的情況下，就會有湮滅的一二級產物，這樣就可以通過望遠鏡觀測它。地球上的暗物質密度可能真的很低，但宇宙中有很多地方暗物質密度非常高，那麼碰撞的機率會很大，爆發湮滅的強度會很強，就會產生很多東西。比如銀河系中心就比太陽系的湮滅強度高，所以可通過湮滅的產物再反推回來證明其存在。

所以，人類花費很多力量和投入去尋找暗物質，它可能是下一代物理學或新物理的突破口。

問題：人類對暗物質瞭解到怎樣的程度呢？

王傑：從宇宙學我們已經確定了暗物質粒子的存在。人類正在逐步排除哪些可能是暗物質粒子，哪些不是，雖然有些暫時還沒無法去排除，但人類仍會花費時間進行排除。所以，對暗物質突破性的東西確實值得花很多時間研究。

問題：計算機技術的進步對天文學來說意味着什麼？

王傑：計算機界有個摩爾定律，計算機應用到天文的時候也照樣存在摩爾定律。根據摩爾定律，計算機的能力提高10倍，我們的應用就會大10倍，超級計算機在天文學的使用還沒有止境。

但我個人認爲，在這些應用中，我們使用的物理模型接近了瓶頸期，如果我們對宇宙磁場、宇宙射線不太瞭解的話，我們可能就會受到限制，目前爲止我們仍需要超級計算機的協助。

問題：去年，您領銜的國際研究團隊，耗時五年，通過計算機模擬，首次獲得了暗暈內部結構清晰圖像。用計算機模擬出的虛擬宇宙是什麼樣？跟真實宇宙之間有何異同？

王傑：目前我們所有的勘測手段都無法看到暗物質在宇宙分佈的更多細節。因爲暗物質不發光，只能通過引力來看到，光線通過一個物質的時候受其影響會產生彎曲，所以我們看到的這些都是模擬出來的，哪怕我們模擬出來的暗物質內部結構，哪個地方密度高哪個地方密度低等，其實都很難證僞的。

但是反過來講，所有的觀測都不能排除，我們模擬出來的結論表明所有暗物質暈內部的結構都有一樣的形式。當前還沒有一個明確的觀測事實能排除這一點。

當人類的所有觀測手段都無法看到暗物質的時候，那理論數值模擬可能是唯一的手段。

當然，我們做的理論數值模擬都非常精確，在每一次模擬中，我們會改變很多條件，比如用100萬個粒子，用1000萬個粒子甚至1億個粒子做，最後形成的結構是一樣的，必須要確定這一收斂性。模擬的參數變化時，比如改變質量解析甚至改變時間解析，無論怎樣改動結果都必須是自洽的。

這是我們對結果有信心的原因之一，原因之二是暗物質只受引力作用，不考慮強引力場或特殊情況下，牛頓力學是夠用的，我們只需要保證數值計算的精度。對於您提高的模擬，我們完成程序開發就花了5-6年的時間，就是爲了將精度做到足夠高。在再模擬中將力的精度可以解析到百萬分之一以下，目前全世界能夠做到這種精度的可能也只有我們團隊。

正是因爲以上兩點，我們可以確保結果是可靠的，這就是我們非常有信心的原因。

問題：目前研究或者觀測暗物質的方式是地下實驗室（錦屏山），但過去多年都沒有發現它們的“真身”，您認爲人類什麼時候能捕捉到暗物質的蹤影？

王傑：地下實驗室（錦屏山）的探測可能快接近人類的極限了，但很難判斷到哪個量級才能找到暗物質，有可能提高2級、3級就能找到，這沒人能知道答案。我們能做的只有強行提高探測極限。就像你到月球上找一個東西，用望遠鏡放大十倍看不到，又放大十倍還是看不到，你也不知道要放大到多少倍才能看到。

提升探測量級需要鉅額的資金，比如現在瑞士的質子對撞機已經消耗了幾百億美元了，如果你想將能力提高几個量級，開玩笑的說，可能需要全人類不吃不喝才能實現。

所以，這取決於整個人類的社會經濟發展實力。當人類真的願意共同努力去幹這件事，將能級提高到10-100倍或者通過其他途徑將探測能力提高10倍或者100倍，那探測的可能性會大大提高。

問題：您提到的能夠探測到暗物質粒子的條件是什麼？

王傑：我認爲現在人類構建暗物質粒子模型是靠譜的，在探討暗物質時都有個參數空間，我們相信暗物質處於這個參數空間，如果不是在這個參數空間，我們也不會浪費時間去尋找它。

問題：您對這個模擬有沒有後續計劃？

王傑：有後續計劃。我們知道重子物質在宇宙中雖然佔有很小的比例，佔有率不到5%，但它是有作用的。比如重子物質有很大的能量，如果重子物質噴發會將周圍的物質噴發掉，會改變中間的角動量或動量場，也會對暗物質的分佈產生影響。所以，我們正在嘗試探索這個方向。

另外，我們還是想做更多應用，比如我們已經知道暗物質暈都是長什麼樣子，我們想真正預測一下怎麼找到暗物質。以前大家認爲暗物質湮滅輻射應該來自於很大的暗暈，但現在發現其實很小的暗暈也貢獻了不小的份額。

問題：十九世紀末曾出現飄在物理學晴空下的“兩朵烏雲”，與此類似，現代天文學所與物理學講的暗物質與暗能量，是否類似十九世紀末那兩朵烏雲，人類還未徹底理解它們？一旦突破會給天文學與物理學理論帶來怎樣的變革？

王傑：這個問題比較難回答，只能說一旦有了突破，而且是超越現在理論框架之外的，那就像當年量子力學、廣義相對論出現一樣，將是這樣量級的震撼效應。

問題：是哪些原因或機緣，讓您從碩士研究生開始，選擇專注天文學研究並以此作爲主要的職業研究方向呢？

王傑：我認爲這是好奇和機會。好奇心很重要，我現在對很多東西都感到很好奇，好奇心會驅動你做很多事情，我覺得好奇是最根本的推動力。

第二個是機會，我當時遇到了一個好機會，遇到了很好的老師，進入這個領域的時機也還好，不算太晚，有很多有意思的課題可以做，並且還能做出一些成果，提升了自信心。

問題：那您認爲現在年輕人進入天文學領域還是個好時機嗎？

王傑：還可以。我們認爲現在天體生物學方興未艾，比如我們短時間內就發現了很多地外行星，這些行星有沒有水，有沒有生命？都是讓人好奇的問題。

對於宇宙學，我們看到的所有物質都在元素週期表裡，這也是很神奇的事情。現在有rewriteword data-id="re42619" style="background-color: #ffff04">有有了引力波這一新的窗口，我們看到的世界又會不一樣。

宇宙裡神奇的事情實在是太多了，還是非常值得去研究的。具體進入哪個方向可能還需要根據時機，根據該方向目前的發展狀態來確定。