王孟源：为什么国际物理界没把悟空的这次发现当回事

【文/ 观察者网专栏作者 王孟源】

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。

实验学家要向政府要大钱（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，就不能老实地解释这一点，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PandaX。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。