【文/ 觀察者網(wǎng)專欄作者 王孟源】

【編者按：中國暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”近期宣布了新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外媒體對(duì)此有不同表述，有些媒體稱“可能發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)”，并視其為重大科學(xué)成果，但也有一些媒體采用了更加謹(jǐn)慎的表述。物理學(xué)界對(duì)“悟空”最新成果也各有評(píng)價(jià)，本文僅僅是作者的一家之言，雖是質(zhì)疑，但其出發(fā)點(diǎn)是關(guān)心而非貶低中國的科技進(jìn)展，觀察者網(wǎng)堅(jiān)持百家爭(zhēng)鳴的態(tài)度，歡迎學(xué)者和讀者都來參與討論。】

物理界在1880年代就提出暗物質(zhì)的猜測(cè)。一開始是因?yàn)殂y河系外圍恒星的切向飛行速度太快，銀河系核心被觀測(cè)到的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以提供所需的向心力。后來在20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)同樣的問題也出現(xiàn)在更大的尺度上，星系團(tuán)（Galaxy Cluster）和超星系團(tuán)（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(gè)邏輯可能，第一是每個(gè)星系（Galaxy）都有大量不參加強(qiáng)作用力（否則會(huì)與原子核有反應(yīng)）和電磁力（否則會(huì)與電子和質(zhì)子有反應(yīng)）的暗物質(zhì)；第二，是廣義相對(duì)論的重力方程式在星系以上的尺度必須有新修正項(xiàng)。

近年來，用各種間接手段觀測(cè)到的暗物質(zhì)重力效應(yīng)越來越多，要靠修改重力方程式來滿足所有的觀測(cè)結(jié)果也越來越難自圓其說，所以暗物質(zhì)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(xué)術(shù)界專家的注意和廣泛討論，剛好就是有關(guān)這個(gè)話題；一篇似乎是對(duì)的，另一篇?jiǎng)t似乎是錯(cuò)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(cè)和研究，證明暗物質(zhì)的重力效應(yīng)，至少在銀河系內(nèi)是完全球?qū)ΨQ的（Spherically Symmetric）。因?yàn)殂y河系的可見物質(zhì)成碟狀分布，如果暗物質(zhì)的重力效應(yīng)其實(shí)來自重力方程式的變形，那么應(yīng)該也會(huì)看到碟狀而不是球狀的現(xiàn)象，所以這個(gè)新結(jié)果又再一次偏愛（Favor）了暗物質(zhì)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(duì)論重力方程式的又一個(gè)新的變形。但是隨即遭到好幾個(gè)物理博主的無情反駁（參見Sabine Hossenfelder在11月30日的總結(jié)：http://backreaction.blogspot.com/2017/11/if-science-is-what-scientists-do-what.html ），基本上已經(jīng)確定是錯(cuò)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(hào)稱在1.4TeV的能階上可能發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)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(bào)道，但是如此驚人的結(jié)果，物理專業(yè)的博客卻對(duì)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(bào)道，這是為什么呢？

前面提過，暗物質(zhì)理論來自對(duì)重力現(xiàn)象的間接觀測(cè)結(jié)果；它不可能參與強(qiáng)作用力和電磁力，否則必然早已被直接觀測(cè)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(zhì)是否參加弱作用力，目前的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)很難完全排除其可能。其實(shí)客觀來說，希望很小，這是因?yàn)榱孔有?yīng)會(huì)在較低的能階也留下蛛絲馬跡，人類的對(duì)撞機(jī)已經(jīng)做到13TeV的能級(jí)，卻完全沒有看到任何這類的量子修正項(xiàng)，代表著在1TeV、10TeV、乃至100TeV的能級(jí)上，暗物質(zhì)都不太可能有弱作用力的效應(yīng)。如果理論非要硬拗不可，當(dāng)然也做得到，只須要多加幾十個(gè)、乃至幾百個(gè)自由度，或者硬是假設(shè)精度極高的參數(shù)（例如弱作用反應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)被設(shè)定為0.00001），但是這些做法都是失敗理論的特征，嚴(yán)重違反了Occam's Razor。

美國的實(shí)驗(yàn)學(xué)家為了取得政府巨資（雖然悟空的造價(jià)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(diǎn)，而必須假裝暗物質(zhì)參加弱作用力（叫做“WIMP”假設(shè)，Weakly Interacting Massive Particles）是個(gè)有根據(jù)的結(jié)論。剛好超弦的基本假設(shè)，也就是超對(duì)稱，天然就會(huì)產(chǎn)生WIMP，于是里應(yīng)外合，高能物理的理論和實(shí)驗(yàn)界都眾口一詞，把WIMP假設(shè)吹噓成主流理論，在過去十年里催生了許多個(gè)昂貴（即百億人民幣級(jí)）的實(shí)驗(yàn)，專門要測(cè)量WIMP。這些WIMP實(shí)驗(yàn)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(huì)自發(fā)衰變的同位素）的介質(zhì)，藉以觀察其原子核與WIMP直接進(jìn)行弱作用力反應(yīng)，例如美國的LUX實(shí)驗(yàn)和中國版Panda X。第二類則是用衛(wèi)星來測(cè)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(duì)，例如美國的AMS-02和中國版悟空衛(wèi)星。