奇異的宇宙

在過去半個世紀(jì)，我們對宇宙的理解經(jīng)歷了非凡的歷程，無論是在大尺度上，還是在小尺度上。其中特別突出的是，我們認(rèn)識到，極小尺度上的問題和極大尺度上的問題有著密切的聯(lián)系，而這種聯(lián)系往往以反直覺的形式呈現(xiàn)給我們。

標(biāo)準(zhǔn)模型——一系列相互關(guān)聯(lián)的量子場論——在上世紀(jì)60年代到70年代被發(fā)展出來，以非常簡潔的形式解釋了當(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的基本粒子。所有基本粒子可以用圖1的“基本粒子表”來呈現(xiàn)。在這之后，標(biāo)準(zhǔn)模型經(jīng)歷了高強(qiáng)度的實驗檢驗，到2012年希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)為止，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有粒子均被發(fā)現(xiàn)，量子電動力學(xué)做出的某些預(yù)言與實驗結(jié)果的偏離度甚至小于億分之一。

圖1. 基本粒子 | Matic Lubej制作

另一方面，宇宙學(xué)在這段時間也經(jīng)歷了戲劇性的發(fā)展。對于20世紀(jì)上半個世紀(jì)的物理學(xué)家來說，“精確的宇宙學(xué)”簡直就是癡人說夢，但現(xiàn)在我們確實有了“標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型”，我們確切地知道宇宙有一個“開始”，我們也了解了宇宙從創(chuàng)世之初到今天的演化歷程。大量觀測結(jié)果與現(xiàn)有宇宙模型描述的差別在百分之一以內(nèi)。這個模型通常被稱為“ΛCDM”，其中的Λ代表暗能量，CDM代表冷暗物質(zhì)。

盡管取得了這樣的成功，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型和標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型都面臨著來自內(nèi)部的深刻挑戰(zhàn)。在粒子物理中，一個顯著問題是許多參數(shù)的數(shù)值就像在針尖上保持平衡一樣不可思議，而標(biāo)準(zhǔn)模型本身卻無法解釋這些詭異的事實——我們很快將討論這樣一個典型的“精細(xì)調(diào)節(jié)”問題。然而，但凡有新的理論想“修正”這些問題，就不可避免要引入新的粒子。

宇宙學(xué)方面更甚：ΛCDM模型的主要問題是，我們既不了解Λ，也不了解CDM！如果你覺得圖1太復(fù)雜了，我想你肯定會喜歡圖2的：標(biāo)準(zhǔn)模型能夠描述的所有東西都在代表“常規(guī)物質(zhì)”的小小黃色區(qū)域內(nèi) ，另外超過95%的部分，我們壓根不知道是什么。我們倒是知道它們在哪，也知道它們對宇宙的影響。暗能量似乎無處不在，并且導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹。或許暗能量就是簡單的與時空相關(guān)的“真空能”，不過我們對時空的微觀結(jié)構(gòu)了解得太少。

圖2. 已知的宇宙組成成分，根據(jù)ESA/Planck的數(shù)據(jù)修改而來。其中黃色部分為常規(guī)物質(zhì)，也就是我們能夠看到的星系、星云等，包括黑洞；藍(lán)色部分為暗物質(zhì)，紫色部分則為暗能量。

暗物質(zhì)則聚集在星系和星系團(tuán)簇中，與常規(guī)物質(zhì)一樣，它們通過引力與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，不過到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)除引力以外的其他相互作用。它們飄渺無著，但看起來均勻分布在整個星系空間內(nèi)。想象一下，我們的太陽系帶著我們以大約每小時72萬公里的速度圍繞銀心旋轉(zhuǎn)，暗物質(zhì)從我們身邊飛過，從身體里穿過，卻不留下一絲痕跡。

簡要地說，暗物質(zhì)在超大尺度上對星系的形成和演化有著顯著的影響，但在小尺度上完全“看不見”。現(xiàn)在，暗物質(zhì)是理論和實驗的一個重要的興趣點——有很強(qiáng)的證據(jù)表明它們是“非-重子”的，也就是不由原子組成，這就意味著暗物質(zhì)將打開標(biāo)準(zhǔn)模型以外的“新物理”。

暗物質(zhì)與軸子

前面已經(jīng)提到，對標(biāo)準(zhǔn)模型的理論擴(kuò)展總是導(dǎo)致新的基本粒子出現(xiàn)?；谀承┝Ｗ游锢韱栴}而提出的假想粒子具有解釋暗物質(zhì)的所有正確性質(zhì)：它們會與標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子發(fā)生極為微弱的相互作用，并且在早期宇宙中大量產(chǎn)生。如果我們能夠證實這些粒子的存在，那么對于與暗物質(zhì)相關(guān)的宇宙觀測現(xiàn)象，我們將能夠給出一個微觀的物理解釋。

圖3. Axion洗潔精

軸子被普遍認(rèn)為是這些粒子中的強(qiáng)力候選者之一。它可能也是唯一一個以一種消費(fèi)產(chǎn)品的名字命名的粒子。軸子最早是在1977年由理論學(xué)家Roberto Peccei和Helen Quinn提出的，他們在解決強(qiáng)CP問題時作為解的一部分假設(shè)，而強(qiáng)CP問題是困擾標(biāo)準(zhǔn)模型最匪夷所思的精細(xì)調(diào)節(jié)問題之一。這里的“強(qiáng)”對應(yīng)于量子色動力學(xué)，它描述了強(qiáng)核力，而CP則是各種理論中的一個正規(guī)對稱性，即物理學(xué)定律無法區(qū)分物質(zhì)和反物質(zhì)。

所謂對稱性，就是指在物理定律中，做某一種變換之后，該物理定律仍然是成立的。最典型的例子就是時間反演對稱性：無論是牛頓力學(xué)、相對論力學(xué)還是量子力學(xué)中，如果把時間t換成-t，物理上是允許的，即不破壞物理定律。但事實上，我們知道打碎一個杯子是很常見的過程，但杯子的碎片聚集起來變成一個完整的杯子卻從未發(fā)生過?；氐紺P對稱性來，所謂物理學(xué)定律無法區(qū)分物質(zhì)和反物質(zhì)，意味著如果我們將量子電動力學(xué)方程中的粒子換成其反粒子，方程依舊是成立的。

我們已知的物理定律幾乎都是CP對稱的，然而，在今天的可觀測宇宙中，物質(zhì)卻顯著地多于反物質(zhì)，因此CP對稱性的破壞成為了理論上一個很大的興趣點。尷尬的是，在量子色動力學(xué)中，我們卻正好面對相反的問題。

QCD理論的數(shù)學(xué)形式強(qiáng)烈地違反CP對稱性：CP對稱性破壞的程度正比于兩個獨(dú)立的參數(shù)之和θ，且這一數(shù)值“應(yīng)該”在1的量級。但是實驗給出的極限表明，這一數(shù)值應(yīng)該小于百億分之一。換句話說，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，強(qiáng)CP對稱破壞好像“意外”地被抑制了，兩個完全不相關(guān)的參數(shù)“意外”的正好大小相等、符號相反，導(dǎo)致它們加起來的數(shù)值θ非常之??！

為什么θ這么??？它可能嚴(yán)格等于零嗎？從理論的自然性出發(fā)，一個特別小的物理量往往是不自然的，因為它的數(shù)值很可能依賴于其他物理參數(shù)的微調(diào)，除非由于某種對稱性的限制，它的數(shù)值精確為零。

在Peccei-Quinn對強(qiáng)CP問題的解中，軸子扮演的角色就像是一種宇宙反饋回路，它在早期宇宙中出現(xiàn)，并且動態(tài)地消除了θ的任意初始值。這一簡潔的理論機(jī)制在最早提出時與暗物質(zhì)問題完全無關(guān)。起初，軸子的質(zhì)量ma是一個自由參數(shù)——也就是說，PQ機(jī)制不要求ma具有任何特定的值。幾年后，理論學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果ma遠(yuǎn)小于當(dāng)初PQ機(jī)制假設(shè)的那樣，軸子將與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子有極為微弱的相互作用，此外，解決強(qiáng)CP問題還帶來一個副效應(yīng)：產(chǎn)生宇宙級豐度的軸子，換句話說，輕軸子可以組成暗物質(zhì)！

后續(xù)的粒子物理實驗結(jié)果和天文觀測結(jié)果使得我們可以得出一個有趣的結(jié)論，那就是如果軸子被證實存在，那幾乎可以斷定，它至少組成了部分暗物質(zhì)。軸子可能是最輕的基本粒子，它的質(zhì)量上限與中微子的質(zhì)量下限相當(dāng)，而它的實際質(zhì)量可能會小好幾個數(shù)量級。但是，如果PQ機(jī)制解決了強(qiáng)CP問題，那么軸子在宇宙中的密度是如此之大，以至于它們的集體引力效應(yīng)主導(dǎo)了宇宙中最大的結(jié)構(gòu)演化和運(yùn)動！

怎么探測暗物質(zhì)軸子？

前面已經(jīng)提到，天文學(xué)觀測已經(jīng)了解了暗物質(zhì)對遠(yuǎn)距離星系、恒星以及塵埃之間運(yùn)動的影響，我們有理由相信，暗物質(zhì)無時無刻不在我們身邊——這算是一個好消息吧？那接下來的問題就是，如何在實驗室中更直接地探測其效應(yīng)了。

既然我們知道暗物質(zhì)有引力效應(yīng)，那我們能不能在實驗室中直接探測這種引力效應(yīng)呢？回答是：毫無希望，因為引力是一種極其微弱的作用力，只能在相當(dāng)大的尺度上才能探測到。所幸的是，暗物質(zhì)還“可以”有非引力的相互作用——只要這種相互作用足夠弱。這種相互作用不會影響星系運(yùn)動，卻可以在實驗室中探測得到。

軸子有一個很吸引人的性質(zhì)就是，如果它可以解決強(qiáng)CP問題，那么上述的這種相互作用“必須存在”。此外，表征這一相互作用強(qiáng)度的”耦合常數(shù)”可以給出界限來。假如我們可以造出一個足夠靈敏的探測器，使得如果軸子的質(zhì)量落在某個合適的區(qū)間時，探測器能夠給出明顯的信號，而如果探測不到這一“指針信號”，我們可以認(rèn)為軸子的質(zhì)量不在這個區(qū)間，那么我們就可以通過掃描的方式，逐步地縮小搜尋范圍，直至找到軸子。

這是一個現(xiàn)實可行的實驗方案，不過前提是能夠造出這樣一個“足夠靈敏的探測器”。目前人類造出的最為靈敏的暗物質(zhì)軸子探測器是基于一種所謂的“Haloscope”模型開發(fā)的，它包含一個極冷的微波諧振腔，一個高場磁體和一個超低噪聲的微波放大器。為了給大家一個直觀的印象，你可以把haloscope想象成一個核磁共振成像儀中放置了一個超靈敏的微波接收機(jī)。

軸子探測器是一個非?！胺堑湫汀钡牧Ｗ犹綔y器。粒子物理往往也被稱為“高能物理”，新的粒子往往需要在更高的能量中找到，不過軸子的相互作用卻發(fā)生在很低的能量，走向了粒子探測的另一個極端。此外，高能物理中，新粒子的發(fā)現(xiàn)往往依賴于大量的探測器，把大量高能粒子撞碎，然后尋找蹤跡，而軸子則是在一個“極安靜”的環(huán)境中，靜靜地等待相互作用事件的發(fā)生。軸子是如此之輕，與其說它是一種粒子，倒不如說它是一種波。高密度的軸子堆疊在一起，它們甚至可能發(fā)生“玻色-愛因斯坦凝聚”現(xiàn)象！當(dāng)然，軸子都還沒看到，去談多軸子系統(tǒng)的凝聚現(xiàn)象就像坐在地上談龍怎么梳頭。

ABRACADABRA

當(dāng)我給女兒講繪本故事的時候，我接觸到一句咒語“阿布拉卡達(dá)布拉”，這是女巫溫妮在施放魔法時念的咒語。后來我才知道，這是西方的一句魔法咒語，據(jù)說起源于希伯來語，就如東方的“急急如律令”、佛語中的“波若波羅密多”等咒辭，或魔術(shù)中的“見證奇跡的時刻”。好奇妙，我居然喜歡上了這句咒語！前一陣，我又看到了這句咒語，不過是在MIT的科技新聞上[1]。一開始我也為項目名稱ABRACADABRA感到醉了，經(jīng)高人指點才恍然大悟。不得不說，主持項目的科學(xué)家們，你們好頑皮！

ABRACADABRA項目的軸子探測器。| 圖片