超流體宇宙

薩賓·霍森費爾德

宇宙中的大部分物質(zhì)都是看不見的，從我們身邊經(jīng)過卻不留痕跡，即使是科學(xué)家制造的用來捕捉它們的檢測儀也無能為力。但是暗物質(zhì)或許并不像大多數(shù)理論學(xué)家設(shè)想的那樣由看不見的粒子云構(gòu)成，相反，它可能更奇怪，是由數(shù)十億年前的超流體凝聚而成的流體渦，是我們今天觀察到的星系的發(fā)端。

這種新提法對宇宙學(xué)和物理學(xué)都有巨大的啟示。超流體暗物質(zhì)理論能夠克服粒子云帶來的許多理論問題。長期以來，科學(xué)家一直無法確定構(gòu)成粒子云的單一組成成分是什么，而新理論解釋了為什么會這樣。另外，這一新理論提供了向前推進的具體科學(xué)道路，提出了可能很快就可以驗證的明確的科學(xué)預(yù)測。

同時，超流體暗物質(zhì)理論具有重要的概念意義。它指出，我們認識的一般宇宙圖景，即大量單個粒子通過力的相互作用結(jié)合在一起形成的整體——幾乎就像樂高玩具模型那樣——忽略了許多自然界的復(fù)雜度。宇宙中的大部分物質(zhì)或許與構(gòu)成你我身體的物質(zhì)完全不同：不是由原子組成的，甚至不是由我們通常認識意義上的粒子構(gòu)成的，而是一個廣闊伸展的連續(xù)整體。

賓夕法尼亞大學(xué)的理論物理學(xué)教授賈斯丁·庫里說：“很多年以來，人們一直有一種簡單的暗物質(zhì)模型，即不發(fā)光、無碰撞的粒子。但是在最近20年里，觀測手段和計算機模擬水平都有所提高，這種簡單模型在星系尺度上會有一些力不從心。”

無碰撞的暗物質(zhì)顆粒不會產(chǎn)生實質(zhì)上的相互作用，因此不會穩(wěn)定下來形成等同于恒星和行星的致密結(jié)構(gòu)。由于暗物質(zhì)不發(fā)光，它存在的證據(jù)來自引力效應(yīng)：星系的形成、旋轉(zhuǎn)和運動似乎受到了看不見的物質(zhì)的影響。在非常大的尺度上，無碰撞的暗物質(zhì)與天文觀測很好地吻合。

威爾遜山天文觀測臺

然而在較小的尺度上，這個受歡迎并且使用廣泛的暗物質(zhì)模型預(yù)測在星系中心會有更多物質(zhì)凝結(jié)，比天文學(xué)家實際觀測到的多，這個問題叫作“尖點問題”。該模型同時預(yù)測了過多的銀河系衛(wèi)星星系，并且無法解釋真正存在的那些衛(wèi)星星系為什么幾乎位于同一個平面。最后，無碰撞暗物質(zhì)無法說明為什么旋轉(zhuǎn)星系的亮度與其旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)。這個簡單的模型，看來是過于簡單了。

對于這些缺陷，一個可能的解釋是物理學(xué)家遺漏了星系形成中某個重要的天文物理學(xué)過程。但是庫里并不這么認為。對他來說，這些缺陷暗示了更深層的東西。這不僅僅在于無碰撞的冷暗物質(zhì)模型無法跟觀測數(shù)據(jù)吻合，還在于另一個完全不同的模型對這些觀測結(jié)果的解釋比標準模型更好。這個不同的模型沒有引入全新的未知粒子，而是假定暗物質(zhì)的證據(jù)來自修正的引力。對于引力在數(shù)千甚至數(shù)百萬光年的距離上如何作用，我們沒有直接測量的方法。在地球上無法檢測到的細微效果，可能在整個星系的尺度上強大到造成重要影響。

引力修正在某些情況下獲得了令人驚嘆的成功，在另一些地方卻面臨問題。一方面，它能夠幾乎毫不費力地與星系旋轉(zhuǎn)相吻合，并解釋為什么星系的亮度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系看上去都很類似。另一方面，修正的引力在解釋比典型星系大得多或者小得多的尺度上的觀測數(shù)據(jù)時，出現(xiàn)了困難。在這些尺度上，冷暗物質(zhì)模型的解釋力更強。

WIMPS

想要對愛因斯坦的引力理論做出修改極其困難，很難做到改動時不把整個理論徹底搞砸，所以大多數(shù)物理學(xué)家選擇了更安全的暗物質(zhì)粒子理論。對他們來說，提出新粒子是解決問題的常用方法，相關(guān)的數(shù)學(xué)已被熟知。但是庫里不想對任何一個理論有偏頗，他想結(jié)合兩個理論的優(yōu)點，做出與真實宇宙最吻合的解釋。

“習(xí)慣上，人們用修正引力來解決星系尺度上的問題，作為暗物質(zhì)理論的替代。”庫里說，“由于某些原因，或許是社會學(xué)上的原因，這兩種理論被認為是相互排斥的：你或者屬于修正引力陣營，或者屬于暗物質(zhì)粒子陣營。但為什么不能兩者都對呢？當(dāng)然，根據(jù)奧卡姆剃刀原則，這不那么令人信服。因此，我們采取的途徑是，修正引力和暗物質(zhì)粒子屬于同一個理論的兩個方面?！?/p>

暗物質(zhì)的證據(jù)自其80多年前被瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基發(fā)現(xiàn)起一直在累積。1933年，茲威基看中了加利福尼亞威爾遜山天文觀測臺的254厘米胡克望遠鏡，并將其對準后發(fā)星系團。后發(fā)星系團是由1000個以上的星系靠自身引力場牽引聚在一起的群體，該群體中各組分的速度——此處指各個星系——基于被束縛的總質(zhì)量。茲威基發(fā)現(xiàn)，這些星系移動的速度比可見質(zhì)量加起來能夠產(chǎn)生的快很多，因此他推測星系團里一定含有看不見的物質(zhì)。他把這些物質(zhì)稱為Dunkle Materie，也就是德文的“暗物質(zhì)”。

玻色-愛因斯坦冷凝體

物理學(xué)家把這個結(jié)果看成了特例。但是從20世紀60年代美國天文學(xué)家薇拉·魯賓研究螺旋星系的旋轉(zhuǎn)開始，茲威基的觀測結(jié)果就已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象了。遠離星系中心軌道上的恒星速度取決于系統(tǒng)的總體質(zhì)量（也就是萬有引力），即星系的質(zhì)量。魯賓的測量結(jié)果表明有幾十個星系的旋轉(zhuǎn)都比她期待的可見物質(zhì)造成的速度快很多。魯賓的觀測將暗物質(zhì)帶到了鎂光燈下，占據(jù)了物理學(xué)家未解決問題列表的首位。

直接觀測不但沒有解決謎團，反而使謎團更大了。

隨著穩(wěn)定提高的望遠鏡技術(shù)，暗物質(zhì)得到了更多、更精確的觀測。物理學(xué)家現(xiàn)在可以觀測到星系團附近由引力扭曲造成的微小時空畸變。這種畸變被稱為引力透鏡效應(yīng)，會使更遙遠的天體圖像產(chǎn)生輕微變形。光線在星系團周圍產(chǎn)生彎曲，因為星系團的引力起到了透鏡的作用。從這一效應(yīng)的強度，我們可以計算星系團的總質(zhì)量，證明暗物質(zhì)的存在。通過這種方法，物理學(xué)家甚至制作出暗物質(zhì)分布地圖。通過將這些運算結(jié)果和其他證據(jù)結(jié)合，他們推測，宇宙85%的質(zhì)量都是暗物質(zhì)。

通過更多數(shù)據(jù)，物理學(xué)家還可以排除暗物質(zhì)由普通原子（學(xué)術(shù)上稱之為重子物質(zhì)）構(gòu)成的理論。這種普通物質(zhì)跟自己的相互作用過于強烈，不會產(chǎn)生觀測到的暗物質(zhì)分布。暗物質(zhì)同樣不會由坍縮成黑洞的恒星或者其他非常暗淡的天體構(gòu)成，否則這些天體必須在數(shù)量上極大超過我們星系中的恒星，并且產(chǎn)生可以被我們觀測到的強烈的引力扭曲。暗物質(zhì)也不可能是其他已知粒子組成的，比如恒星散射出的大量弱相互作用的中微子。中微子不會導(dǎo)致足夠的聚集來創(chuàng)造我們觀測到的星系結(jié)構(gòu)。

因此，為了解釋什么組成了暗物質(zhì)，物理學(xué)家必須理論推導(dǎo)目前沒有被檢測到的新粒子。在廣義上，最常用的粒子被分為兩類：大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMPS）和相比之下輕很多的軸粒子，還有大量將幾種類型的粒子組合在一起的更為復(fù)雜的假設(shè)。然而到目前為止，所有對這些假定粒子進行直接檢測的嘗試都失敗了。直接觀測不但沒有解決謎團，反而使謎團更大了。

“在今天，你可以只對宇宙感興趣，而對暗物質(zhì)不感興趣?！币獯罄M修國際學(xué)校的物理學(xué)教授斯蒂法諾·利貝拉蒂說。利貝拉蒂及其合作者獨立做出了與庫里的理論非常相似的暗物質(zhì)理論。當(dāng)利貝拉蒂第一次得知修正引力在冷暗物質(zhì)無法符合實際觀測的星系尺度上有多成功時，他立即開始嘗試尋找一種將兩種理論結(jié)合起來的方式?！八屛矣X得，或許小尺度上的暗物質(zhì)發(fā)生了某種相變，”他說，“或許它變成了一種流體，具體來說就是超流體。如果它在星系尺度上形成冷凝物，就解決了很多問題?！?/p>

超流體并不存在于人類的日常生活中，但物理學(xué)家對它們很熟悉。它們與超導(dǎo)體類似，是一種可以零阻力移動電子的材料。當(dāng)溫度降低到接近絕對零度時，氦就像超導(dǎo)體一樣不受阻力地流動。它會爬過最細小的孔，甚至可能沿著容器壁向上攀爬而溢出容器。這種超流體特性并不是氦特有的，其他粒子在溫度足夠低時也能達到這種物相。超流體于1924年首次由愛因斯坦和印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色預(yù)言。現(xiàn)在這一大類極低溫超流體被稱為玻色-愛因斯坦冷凝體。利貝拉蒂意識到，暗物質(zhì)或許也具有超流體相。

對玻色-愛因斯坦冷凝體最好的理解就是兩種組分的混合物：一種是超流體，另一種不是。這兩種組分的特性非常不同。超流體組分體現(xiàn)出了長距離量子效應(yīng)，不具有黏性，并且在大的距離尺度上出現(xiàn)超預(yù)期的相互作用，就好像是由大很多的粒子（實際上是微小的組分）構(gòu)成的。另一類常規(guī)組分的特性就像我們習(xí)慣的那樣，跟容器壁粘在一起，也相互粘連——它具有黏性。這兩種組分的比例取決于冷凝體的溫度：溫度越高，常規(guī)組分就越多。

我們習(xí)慣認為量子物理只在微觀領(lǐng)域存在，但是物理學(xué)家對量子理論了解得越多，就越發(fā)現(xiàn)事實并非如此。玻色-愛因斯坦冷凝體是研究最充分地使量子作用在介質(zhì)中廣泛傳播的物質(zhì)之一。理論上講，如果沒有太多擾動，量子特性可以在任意大的距離尺度上延伸。

在像地球這樣溫暖嘈雜的環(huán)境里，脆弱的量子效應(yīng)很快會被摧毀。這就是為什么我們通常無法觀測到量子物理那些更為奇怪的方面，比如粒子像波一樣的行為。但是在一個低溫安靜的環(huán)境里開始量子特性，它就會持續(xù)，例如在外太空中。在那里，量子效應(yīng)或許能夠延伸到廣闊無垠的距離。

超流體暗物質(zhì)或許還能克服修正引力帶來的心理挑戰(zhàn)：大多數(shù)天體物理學(xué)家不喜歡它。

如果暗物質(zhì)是玻色-愛因斯坦冷凝體（具有量子效應(yīng)、在整個星系中分布），便自然可以解釋暗物質(zhì)的兩種不同特性。在星系內(nèi)部，大部分暗物質(zhì)是超流體相。但是跨越飽含了許多星際空間的整個星系團，大部分暗物質(zhì)會處于正常態(tài)，產(chǎn)生不同的特性。根據(jù)庫里及其合作者通過玻色-愛因斯坦冷凝體理論建立的一個簡單模型，可以解釋觀測到的暗物質(zhì)作用。這一模型只有為數(shù)不多的幾個開放參數(shù)，也就是說，只要幾個參數(shù)具有正確屬性就能讓模型成立。

“暗物質(zhì)或許是玻色-愛因斯坦冷凝體”這一觀點在天體物理學(xué)界流行過，但是這一次的版本不同。庫里的新觀點之所以令人信服，是因為他聲稱超流體暗物質(zhì)同時可以模擬修正的引力：這達到了他將兩個模型的優(yōu)點結(jié)合的目的。原來引力不需要經(jīng)過修正就能獲得修正引力理論預(yù)測的結(jié)果。連貫的超流體可以產(chǎn)生相同的公式，以及相同的特性。這樣一來，庫里的模型就將冷暗物質(zhì)和修正引力的優(yōu)點結(jié)合起來了，剔除了兩者的劣勢。

超流體暗物質(zhì)或許還能克服修正引力的最大挑戰(zhàn)：大多數(shù)天體物理學(xué)家不喜歡它。這些研究者當(dāng)中許多具有粒子物理學(xué)背景，修正引力公式跟他們習(xí)慣的理論公式不同。對粒子物理學(xué)家來說，這些公式?jīng)]有吸引力，甚至不自然，它們看上去就像是為了符合要求故意編造出來的一樣。但是超流體暗物質(zhì)提供了一個不一樣的，或許更自然的獲得公式的方法。

根據(jù)庫里的說法，這些超流體暗物質(zhì)公式不屬于基礎(chǔ)粒子物理學(xué)范疇。它們產(chǎn)生于凝聚態(tài)物理理論，描述的不是基本粒子，而是它們在自然狀態(tài)下的長距離特性。在庫里的模型里，修正引力中出現(xiàn)的公式不是用來描述單個粒子的。相反，它們描述的是粒子的集體相互作用。許多粒子物理學(xué)家對這些公式并不熟悉，這也就解釋了為什么超流體和修正引力之間的關(guān)系這么長時間以來一直沒有被注意到。然而，描述超流體的公式已經(jīng)有了強大的理論基礎(chǔ)——只不過是在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域。

庫里能夠發(fā)現(xiàn)這個聯(lián)系完全是因為運氣。他無意中看到了一篇凝聚態(tài)物理文獻，文獻中使用的公式與他熟知的修正引力公式非常相似?！捌溆嗟睦碚摼瓦@樣到位了，”他說，“我認為這一切恰好為將兩種現(xiàn)象統(tǒng)一構(gòu)造了一個漂亮的圖景?！?/p>

回到暗物質(zhì)的觀測證據(jù)上，庫里的超流體理論可以解決許多現(xiàn)有模型無法解決的問題。首先，超流體可以阻止暗物質(zhì)在星系中央過量聚集，消除了假性“尖點”，因為超流體相能夠平均任何大型密度波動?！俺黧w會具有一個連貫長度（一種距離，在此距離上所有物質(zhì)都處于同一狀態(tài)），” 利貝拉蒂說，“因此不可能出現(xiàn)尖點?！?/p>

超流體能夠生成與修正引力公式相同的吸引模式，所以它可以復(fù)制出觀測到的星系旋轉(zhuǎn)曲線的規(guī)律性。然而，與修正引力不同，它只有在超流體是主要組分的溫度范圍內(nèi)才能表現(xiàn)出這種特性。在星系團這種大尺度上，暗物質(zhì)過于擾動（即過熱），失去了超流體特性。這樣一來，超流體暗物質(zhì)既可以形成可見星系的基礎(chǔ)，又因為非超流體相而與觀測到的星系團結(jié)構(gòu)吻合。

我還是個學(xué)生的時候，每個月都會做關(guān)于修正引力的夢。

庫里的理論解釋了為什么天文學(xué)家在太陽系內(nèi)找不到修正引力的證據(jù)?！疤柋旧懋a(chǎn)生了強大的引力場，會在局部摧毀超流體的連貫性，”他說，“在太陽系附近，你不應(yīng)該按照連貫的超流體來思考。太陽的作用類似于雜質(zhì)，就好像流體里出現(xiàn)了異物?！?/p>

最后，超流體模型解釋了為什么物理學(xué)家沒能夠找到暗物質(zhì)粒子。從20世紀80年代開始，有一系列不同的實驗致力尋找這種粒子存在的直接證據(jù)。這些實驗一般會使用遮蔽良好的大型容器，容器中裝填了只有在和暗物質(zhì)相互作用的稀有情況下才能產(chǎn)生可觀測信號的不同物質(zhì)。雖然使用了多種技術(shù)和材料，檢測器被小心翼翼地做了遮蔽，并且通過藏在地下礦場里來過濾假陽性信

號，這些實驗還是沒有找到暗物質(zhì)存在的決定性證據(jù)。

因為沒有檢測到暗物質(zhì)，“暗物質(zhì)或許不僅僅是另一種粒子”這一曾經(jīng)遭到嘲笑的觀點重新流行了起來?！拔疫€是個學(xué)生的時候，每個月都會做關(guān)于修正引力的夢，”普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)教授尼馬·阿爾卡尼·哈米德說，“后來一年能夢見一次，現(xiàn)在每100天夢見一次，修正引力的熱度開始回升了?！?/p>

如果暗物質(zhì)是超流體，構(gòu)成它的粒子就必須是輕量的，比大多數(shù)搜尋工作的目標，即假想的暗物質(zhì)粒子要輕很多。超流體的成分或許太輕了，不可能被目前運轉(zhuǎn)的實驗捕捉到。

庫里的模型做出的一個更好更獨特的預(yù)測是，超流體的量子特性會在星際碰撞中留下標志性的圖樣。當(dāng)一個星系中凝聚的暗物質(zhì)與另一個星系碰撞時，會產(chǎn)生干涉圖樣——物質(zhì)和引力分布的漣漪，影響星系穩(wěn)定下來的方式。超流體暗物質(zhì)還預(yù)測星系團內(nèi)的暗物質(zhì)組分間具有摩擦，這樣的摩擦又會產(chǎn)生獨特的萬有引力圖樣。觀測引力透鏡效應(yīng)可以檢測到這些超流體暗物質(zhì)留下的

痕跡，如果我們很明確地知道自己在找什么的話。

為了量化這些預(yù)測，需要進行計算機模擬。庫里目前就在和牛津大學(xué)的研究者一起做這樣一個課題。模擬應(yīng)該還可以顯示超流體暗物質(zhì)理論預(yù)測的衛(wèi)星星系數(shù)量，看看與目前模型預(yù)測的相比是否更符合實際觀測結(jié)果。

阿曼達·韋爾特曼，開普敦大學(xué)研究暗物質(zhì)的宇宙學(xué)家，雖然她沒有參與這項研究，但她表示這一新模型“非常有意思，很有創(chuàng)造性”。不過，她說，除非她看見一些實驗證據(jù)，一些能夠明確支持超流體的信號，否則她對這個新理論還是持保留意見：“只有這樣的觀測才能夠給他們的想法增添真正的重量。” 如果超級計算機模擬是成功的，庫里或許就能夠獲得這樣的證據(jù)。然后我們就必須習(xí)慣一個更加怪異的宇宙觀——宇宙不僅僅充滿暗物質(zhì)，而且在所有明亮星系的周圍都圍繞著無摩擦的流體。

阿爾卡尼·哈米德持更加懷疑的態(tài)度，他暫時還不想拋棄冷暗物質(zhì)理論?！叭绻麄冊谙乱唤M實驗里發(fā)現(xiàn)不了弱相互作用大質(zhì)量粒子，在未來20年里他們就沒有發(fā)現(xiàn)的可能了?！彼f。他認為，重新審視基于非常規(guī)粒子或者修正引力的模型的時候到了，哪怕是一個將這兩種黑暗世界的優(yōu)點相結(jié)合的模型。