国家天文台王杰：探测暗物质的方法已经穷尽，这是人类共同面临的困境

精彩观点：

• 暗物质，前面“暗”字是个形容词，只是暂时“暗”。因为这种物质我们目前为止没办法观测到它，它不发光，但是将来可能有其他手段可以对暗物质真正或进一步的了解。

• 暗物质，我们确实需要它，如果没有它，当前大部分理论都要进行修改，“暗物质理论”是最漂亮的理论，能解释目前所有的关键的观测事实。

• 人类花费很多力量和投入去寻找暗物质，它可能是下一代物理或者新物理的突破口。

• 在宇宙学我们已经确定了暗物质粒子的存在。人类正在逐步排除哪些粒子可能是暗物质，哪些不是暗物质，虽然有些暂时还没无法去排除，但人类仍会花费时间进行排除。

• 根据摩尔定律，计算机的能力扩大 10 倍，我们的应用的规模也会扩大 10 倍，超级计算机在天文学领域的使用没有止境。

• 地下实验室（锦屏山）的探测对某些粒子候选体来说，目前可能已经是人类的极限了，但很难判断到哪个量级才能找到暗物质，可能再提高 2 级、3 级就能找到，没人知道答案。我们能做的只有不断提高探测极限去尝试。

• 暗物质、暗能量探测的方法基本已经齐备，人类几乎穷尽了所有办法。下面是不断提高这些方法的测量精度？还是去寻找更有效的新办法？目前这是大家所面临的问题。

他是谁？

由他领衔的国际研究团队，利用中国和欧洲的超级计算机，采用一项全新的多重放大模拟技术，在当前标准宇宙学模型下，首次获得了宇宙中全质量尺度暗物质晕内部结构的清晰图像，这一重要发现已于北京时间 2020 年 9 月 3 日凌晨在国际顶级学术期刊《自然》发表。他就是中国科学院国家天文台的研究员、博士生导师王杰。

正文：

你知道吗？每一秒钟都会有暗物质穿过你的身体，它也在不断地进入你的五官。根据研究测算，暗物质大约占宇宙所有物质的 84%，余下的 16% 则为普通物质。

按照科学界的主流计算模型，假定暗物质粒子为质量 100GeV（约 100 个质子的质量）的超对称粒子，那么我们周围暗物质粒子的密度大约为每立方米为 5000 个左右。

然而，这样一个主宰宇宙的物质，我们却对它知之甚少，甚至还无法观测它，只知道它是一个确定的存在。而人类正在穷尽各种方式来捕捉暗物质的踪影。

比如天上负责探测暗物质粒子的“悟空”天文卫星；地下位于四川省锦屏山的地下 2400 米深的实验室等等。

“人类花费了很多力量和投入去寻找暗物质，它可能是下一代物理学或者新物理的突破口。”中国科学院国家天文台的研究员王杰如此形容研究暗物质的重要性。

人类一旦弄清楚暗物质的组成以及特性，不仅会拓宽人类对物质世界的认知，更有可能超越当前人类所有的已知理论模型，改变人类的生活，就像 100 年前量子力学一样。

虽然人类尚未观测到暗物质粒子，但王杰带领的国际团队已经通过超级计算机数值模拟，看到了暗物质在宇宙中的分布，这是人类首次揭示宇宙中从最小质量到最大质量的暗晕内部结构清晰图像。

这一重要发现已于北京时间 2020 年 9 月 3 日凌晨由国际顶级学术期刊《自然》发表。

据王杰透露，为不断提高数值的精确度，团队光开发就花了 5-6 年的时间，只为了将再模拟中力的精确度精确到百万分之一，目前全世界只有王杰团队能够做到如此高精确度。

有了这一重大发现之后，王杰团队还将研究重子物质对暗物质分布影响及预测如何确定暗物质的属性。

以下为网易科技等媒体在 2021 未来科学大奖周期间，采访中国科学院国家天文台研究员王杰的部分内容：

问题：对于暗物质，大众知之甚少，感觉很神秘，如果用一句话来形容暗物质，您会怎么形容？暗物质研究对人类来说又意味着什么？人类对宇宙的了解目前处于怎样的状态？

王杰：暗物质，前面“暗”字是个形容词，只是暂时“暗”。因为这种物质我们目前为止没办法观测到它，它不发光，但是将来可能有其他手段“看”到它，从而对暗物质有进一步的了解。

如果我们认为暗物质是超对称粒子，那它与反粒子是一样的，它们相互碰撞就会湮灭，从而发光，发出伽马光子，这时候就可以看到它。但是到底什么时候能“看”到暗物质，我们不知道。

从目前理论上来说，我们离开暗物质还真不行，我们确实需要它，因为没有它，当前很多理论都需要修改。所以“暗物质理论”是最漂亮的理论，能解释目前大部分的关键事实。

所谓离不开暗物质，如果星系里不存在暗物质的话，那么星系的旋转曲线就解释不了。如果宇宙中没有大量暗物质存在的话，那么宇宙可能不会是现在加速的膨胀。所以如果没有暗物质，这些观测事实都没办法解释，我们需要它的存在。

对于暗物质的研究，对人类来说意味着什么？意义就在这个“暗”字，如果我们真的能看到它，暗物质对我们来说是一个明的东西，会有两个重要意义：

第一，我们可以真正了解暗物质，明确暗物质是什么，可以拓宽我们对物质实体的认知，拓宽我们知识的领域。

第二，暗物质可能超越当前的标准粒子模型存在，它可能是一种完全超越我们目前所有的理论框架，就像当年广义相对论和量子力学诞生一样，将人类的整个认识提高到另一个层次。

为什么全世界都在花费很多精力与金钱去寻找它，想看到它，想把“暗”物质变成一个真正的“明”物质，以上就是原因所在。

目前探测暗物质的途径有三个：

第一，通过大型对撞机生成。但目前能级非常有限，能级每提高 10 倍，大型对撞机的花费就要翻成百上千倍左右，代价实在太高了，目前的对撞机的能级还没有看见暗物质粒子；

第二，间接探测。如果空间存在很多暗物质粒子，一立方厘米里大概有 10 个或数 10 个暗物质粒子，它们不停地穿过我们的身体。如果我们在一个没有任何干扰的情况下，比如地下其他物质不会穿到地下，暗物质穿到地下实验室里跟物质作用的话，就会留下作用痕迹，就可以知道暗物质的存在。所以你会发现世界各地包括中国的 PandaX 都去地下很深层的十几公里以下做实验，就为了找到暗物质；

第三，天体物理的效应，假设暗物质粒子它真正能有自主相互作用，比如会湮灭，就会产生高能光子，甚至产生很多正负电子的情况下，就会有湮灭的一二级产物，这样就可以通过望远镜观测它。地球上的暗物质密度可能真的很低，但宇宙中有很多地方暗物质密度非常高，那么碰撞的几率会很大，爆发湮灭的强度会很强，就会产生很多东西。比如银河系中心就比太阳系的湮灭强度高，所以可通过湮灭的产物再反推回来证明其存在。

所以，人类花费很多力量和投入去寻找暗物质，它可能是下一代物理学或新物理的突破口。

问题：人类对暗物质了解到怎样的程度呢？

王杰：从宇宙学我们已经确定了暗物质粒子的存在。人类正在逐步排除哪些可能是暗物质粒子，哪些不是，虽然有些暂时还没无法去排除，但人类仍会花费时间进行排除。所以，对暗物质突破性的东西确实值得花很多时间研究。

问题：计算机技术的进步对天文学来说意味着什么？

王杰：计算机界有个摩尔定律，计算机应用到天文的时候也照样存在摩尔定律。根据摩尔定律，计算机的能力提高 10 倍，我们的应用就会大 10 倍，超级计算机在天文学的使用还没有止境。

但我个人认为，在这些应用中，我们使用的物理模型接近了瓶颈期，如果我们对宇宙磁场、宇宙射线不太了解的话，我们可能就会受到限制，目前为止我们仍需要超级计算机的协助。

问题：去年，您领衔的国际研究团队，耗时五年，通过计算机模拟，首次获得了暗晕内部结构清晰图像。用计算机模拟出的虚拟宇宙是什么样？跟真实宇宙之间有何异同？

王杰：目前我们所有的勘测手段都无法看到暗物质在宇宙分布的更多细节。因为暗物质不发光，只能通过引力来看到，光线通过一个物质的时候受其影响会产生弯曲，所以我们看到的这些都是模拟出来的，哪怕我们模拟出来的暗物质内部结构，哪个地方密度高哪个地方密度低等，其实都很难证伪的。

但是反过来讲，所有的观测都不能排除，我们模拟出来的结论表明所有暗物质晕内部的结构都有一样的形式。当前还没有一个明确的观测事实能排除这一点。

当人类的所有观测手段都无法看到暗物质的时候，那理论数值模拟可能是唯一的手段。

当然，我们做的理论数值模拟都非常精确，在每一次模拟中，我们会改变很多条件，比如用 100 万个粒子，用 1000 万个粒子甚至 1 亿个粒子做，最后形成的结构是一样的，必须要确定这一收敛性。模拟的参数变化时，比如改变质量解析甚至改变时间解析，无论怎样改动结果都必须是自洽的。

这是我们对结果有信心的原因之一，原因之二是暗物质只受引力作用，不考虑强引力场或特殊情况下，牛顿力学是够用的，我们只需要保证数值计算的精度。对于您提高的模拟，我们完成程序开发就花了 5-6 年的时间，就是为了将精度做到足够高。在再模拟中将力的精度可以解析到百万分之一以下，目前全世界能够做到这种精度的可能也只有我们团队。

正是因为以上两点，我们可以确保结果是可靠的，这就是我们非常有信心的原因。

问题：目前研究或者观测暗物质的方式是地下实验室（锦屏山），但过去多年都没有发现它们的“真身”，您认为人类什么时候能捕捉到暗物质的踪影？

王杰：地下实验室（锦屏山）的探测可能快接近人类的极限了，但很难判断到哪个量级才能找到暗物质，有可能提高 2 级、3 级就能找到，这没人能知道答案。我们能做的只有强行提高探测极限。就像你到月球上找一个东西，用望远镜放大十倍看不到，又放大十倍还是看不到，你也不知道要放大到多少倍才能看到。

提升探测量级需要巨额的资金，比如现在瑞士的质子对撞机已经消耗了几百亿美元了，如果你想将能力提高几个量级，开玩笑的说，可能需要全人类不吃不喝才能实现。

所以，这取决于整个人类的社会经济发展实力。当人类真的愿意共同努力去干这件事，将能级提高到 10-100 倍或者通过其他途径将探测能力提高 10 倍或者 100 倍，那探测的可能性会大大提高。

问题：您提到的能够探测到暗物质粒子的条件是什么？

王杰：我认为现在人类构建暗物质粒子模型是靠谱的，在探讨暗物质时都有个参数空间，我们相信暗物质处于这个参数空间，如果不是在这个参数空间，我们也不会浪费时间去寻找它。

问题：您对这个模拟有没有后续计划？

王杰：有后续计划。我们知道重子物质在宇宙中虽然占有很小的比例，占有率不到 5%，但它是有作用的。比如重子物质有很大的能量，如果重子物质喷发会将周围的物质喷发掉，会改变中间的角动量或动量场，也会对暗物质的分布产生影响。所以，我们正在尝试探索这个方向。

另外，我们还是想做更多应用，比如我们已经知道暗物质晕都是长什么样子，我们想真正预测一下怎么找到暗物质。以前大家认为暗物质湮灭辐射应该来自于很大的暗晕，但现在发现其实很小的暗晕也贡献了不小的份额。

问题：十九世纪末曾出现飘在物理学晴空下的“两朵乌云”，与此类似，现代天文学所与物理学讲的暗物质与暗能量，是否类似十九世纪末那两朵乌云，人类还未彻底理解它们？一旦突破会给天文学与物理学理论带来怎样的变革？

王杰：这个问题比较难回答，只能说一旦有了突破，而且是超越现在理论框架之外的，那就像当年量子力学、广义相对论出现一样，将是这样量级的震撼效应。

问题：是哪些原因或机缘，让您从硕士研究生开始，选择专注天文学研究并以此作为主要的职业研究方向呢？

王杰：我认为这是好奇和机会。好奇心很重要，我现在对很多东西都感到很好奇，好奇心会驱动你做很多事情，我觉得好奇是最根本的推动力。

第二个是机会，我当时遇到了一个好机会，遇到了很好的老师，进入这个领域的时机也还好，不算太晚，有很多有意思的课题可以做，并且还能做出一些成果，提升了自信心。

问题：那您认为现在年轻人进入天文学领域还是个好时机吗？

王杰：还可以。我们认为现在天体生物学方兴未艾，比如我们短时间内就发现了很多地外行星，这些行星有没有水，有没有生命？都是让人好奇的问题。

对于宇宙学，我们看到的所有物质都在元素周期表里，这也是很神奇的事情。现在有了引力波这一新的窗口，我们看到的世界又会不一样。

宇宙里神奇的事情实在是太多了，还是非常值得去研究的。具体进入哪个方向可能还需要根据时机，根据该方向目前的发展状态来确定。

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