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王孟源:为什么国际物理界没有太重视悟空的这次发现
关键字: 悟空暗物质暗物质粒子探测卫星【文/ 观察者网专栏作者 王孟源】
【编者按:中国暗物质探测卫星“悟空”近期宣布了新的科学发现,国内外媒体对此有不同表述,有些媒体称“可能发现了暗物质”,并视其为重大科学成果,但也有一些媒体采用了更加谨慎的表述。物理学界对“悟空”最新成果也各有评价,本文仅仅是作者的一家之言,虽是质疑,但其出发点是关心而非贬低中国的科技进展,观察者网坚持百家争鸣的态度,欢迎学者和读者都来参与讨论。】
物理界在1880年代就提出暗物质的猜测。一开始是因为银河系外围恒星的切向飞行速度太快,银河系核心被观测到的质量远远不足以提供所需的向心力。后来在20世纪发现同样的问题也出现在更大的尺度上,星系团(Galaxy Cluster)和超星系团(Supercluster) 外围成员的切向飞行速度也是数倍于核心重力能维持的范围。如此一来,只有两个逻辑可能,第一是每个星系(Galaxy)都有大量不参加强作用力(否则会与原子核有反应)和电磁力(否则会与电子和质子有反应)的暗物质;第二,是广义相对论的重力方程式在星系以上的尺度必须有新修正项。
近年来,用各种间接手段观测到的暗物质重力效应越来越多,要靠修改重力方程式来满足所有的观测结果也越来越难自圆其说,所以暗物质就成为天文物理界的主流理论。2017年11月有两篇论文引起了学术界专家的注意和广泛讨论,刚好就是有关这个话题;一篇似乎是对的,另一篇则似乎是错的。
头一篇是UC Berkeley的Katelin Schutz在11月9日发表的论文:经过观测和研究,证明暗物质的重力效应,至少在银河系内是完全球对称的(Spherically Symmetric)。因为银河系的可见物质成碟状分布,如果暗物质的重力效应其实来自重力方程式的变形,那么应该也会看到碟状而不是球状的现象,所以这个新结果又再一次偏爱(Favor)了暗物质的存在。
另一篇是University of Geneva的教授André Maeder在11月27日发表的理论,是广义相对论重力方程式的又一个新的变形。但是随即遭到好几个物理博主的无情反驳(参见Sabine Hossenfelder在11月30日的总结:http://backreaction.blogspot.com/2017/11/if-science-is-what-scientists-do-what.html ),基本上已经确定是错的。
至于中国的悟空卫星,在11月30日发表于《Nature》的论文,号称在1.4TeV的能阶上可能发现了暗物质衰变产生的电子,虽然被中国官方广为宣传,不但充斥于中文媒体,英文的大众媒体也多有报道,但是如此惊人的结果,物理专业的博客却对它基本无视,既没有庆祝也没有反驳,《Nature》自己的网站也没有出新闻报道,这是为什么呢?
前面提过,暗物质理论来自对重力现象的间接观测结果;它不可能参与强作用力和电磁力,否则必然早已被直接观测到。但是宇宙中还有第四种作用力,也是弱作用力;它太过微弱,所以暗物质是否参加弱作用力,目前的实验和观测很难完全排除其可能。其实客观来说,希望很小,这是因为量子效应会在较低的能阶也留下蛛丝马迹,人类的对撞机已经做到13TeV的能级,却完全没有看到任何这类的量子修正项,代表着在1TeV、10TeV、乃至100TeV的能级上,暗物质都不太可能有弱作用力的效应。如果理论非要硬拗不可,当然也做得到,只须要多加几十个、乃至几百个自由度,或者硬是假设精度极高的参数(例如弱作用反应项的系数被设定为0.00001),但是这些做法都是失败理论的特征,严重违反了Occam's Razor。
美国的实验学家为了取得政府巨资(虽然悟空的造价宣称只有1亿美元,即7亿人民币,但与悟空卫星类似的AMS-02可花了20多亿美元,亦即130多亿人民币)来花,就不能太清楚解释这一点,而必须假装暗物质参加弱作用力(叫做“WIMP”假设,Weakly Interacting Massive Particles)是个有根据的结论。刚好超弦的基本假设,也就是超对称,天然就会产生WIMP,于是里应外合,高能物理的理论和实验界都众口一词,把WIMP假设吹嘘成主流理论,在过去十年里催生了许多个昂贵(即百亿人民币级)的实验,专门要测量WIMP。这些WIMP实验又分成两类:第一类是在很深的地下,用大量同位素稳定(亦即没有会自发衰变的同位素)的介质,藉以观察其原子核与WIMP直接进行弱作用力反应,例如美国的LUX实验和中国版Panda X。第二类则是用卫星来测量WIMP在银河系空间中因弱作用力而自行衰变产生的正子和电子对,例如美国的AMS-02和中国版悟空卫星。
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- 责任编辑:孙武
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