超流體宇宙

薩賓·霍森費爾德

宇宙中的大部分物質都是看不見的，從我們身邊經過卻不留痕跡，即使是科學家制造的用來捕捉它們的檢測儀也無能為力。但是暗物質或許并不像大多數理論學家設想的那樣由看不見的粒子云構成，相反，它可能更奇怪，是由數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端。

這種新提法對宇宙學和物理學都有巨大的啟示。超流體暗物質理論能夠克服粒子云帶來的許多理論問題。長期以來，科學家一直無法確定構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道路，提出了可能很快就可以驗證的明確的科學預測。

同時，超流體暗物質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雜度。宇宙中的大部分物質或許與構成你我身體的物質完全不同：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成的，而是一個廣闊伸展的連續整體。

賓夕法尼亞大學的理論物理學教授賈斯丁·庫里說：“很多年以來，人們一直有一種簡單的暗物質模型，即不發光、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?！?/p>

無碰撞的暗物質顆粒不會產生實質上的相互作用，因此不會穩定下來形成等同于恒星和行星的致密結構。由于暗物質不發光，它存在的證據來自引力效應：星系的形成、旋轉和運動似乎受到了看不見的物質的影響。在非常大的尺度上，無碰撞的暗物質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模型預測在星系中心會有更多物質凝結，比天文學家實際觀測到的多，這個問題叫作“尖點問題”。該模型同時預測了過多的銀河系衛星星系，并且無法解釋真正存在的那些衛星星系為什么幾乎位于同一個平面。最后，無碰撞暗物質無法說明為什么旋轉星系的亮度與其旋轉速度相關。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家遺漏了星系形成中某個重要的天文物理學過程。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模型無法跟觀測數據吻合，還在于另一個完全不同的模型對這些觀測結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，而是假定暗物質的證據來自修正的引力。對于引力在數千甚至數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相吻合，并解釋為什么星系的亮度與轉速的關系看上去都很類似。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據時，出現了困難。在這些尺度上，冷暗物質模型的解釋力更強。

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，所以大多數物理學家選擇了更安全的暗物質粒子理論。對他們來說，提出新粒子是解決問題的常用方法，相關的數學已被熟知。但是庫里不想對任何一個理論有偏頗，他想結合兩個理論的優點，做出與真實宇宙最吻合的解釋。

“習慣上，人們用修正引力來解決星系尺度上的問題，作為暗物質理論的替代?！睅炖镎f，“由于某些原因，或許是社會學上的原因，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，或者屬于暗物質粒子陣營。但為什么不能兩者都對呢？當然，根據奧卡姆剃刀原則，這不那么令人信服。因此，我們采取的途徑是，修正引力和暗物質粒子屬于同一個理論的兩個方面。”

暗物質的證據自其80多年前被瑞士天文學家弗里茨·茲威基發現起一直在累積。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，并將其對準后發星系團。后發星系團是由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——基于被束縛的總質量。茲威基發現，這些星系移動的速度比可見質量加起來能夠產生的快很多，因此他推測星系團里一定含有看不見的物質。他把這些物質稱為Dunkle Materie，也就是德文的“暗物質”。

玻色-愛因斯坦冷凝體

物理學家把這個結果看成了特例。但是從20世紀60年代美國天文學家薇拉·魯賓研究螺旋星系的旋轉開始，茲威基的觀測結果就已經成為普遍現象了。遠離星系中心軌道上的恒星速度取決于系統的總體質量（也就是萬有引力），即星系的質量。魯賓的測量結果表明有幾十個星系的旋轉都比她期待的可見物質造成的速度快很多。魯賓的觀測將暗物質帶到了鎂光燈下，占據了物理學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。

隨著穩定提高的望遠鏡技術，暗物質得到了更多、更精確的觀測。物理學家現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，會使更遙遠的天體圖像產生輕微變形。光線在星系團周圍產生彎曲，因為星系團的引力起到了透鏡的作用。從這一效應的強度，我們可以計算星系團的總質量，證明暗物質的存在。通過這種方法，物理學家甚至制作出暗物質分布地圖。通過將這些運算結果和其他證據結合，他們推測，宇宙85%的質量都是暗物質。

通過更多數據，物理學家還可以排除暗物質由普通原子（學術上稱之為重子物質）構成的理論。這種普通物質跟自己的相互作用過于強烈，不會產生觀測到的暗物質分布。暗物質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成，否則這些天體必須在數量上極大超過我們星系中的恒星，并且產生可以被我們觀測到的強烈的引力扭曲。暗物質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。中微子不會導致足夠的聚集來創造我們觀測到的星系結構。

因此，為了解釋什么組成了暗物質，物理學家必須理論推導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雜的假設。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，而對暗物質不感興趣?！币獯罄M修國際學校的物理學教授斯蒂法諾·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理論。當利貝拉蒂第一次得知修正引力在冷暗物質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合起來的方式?！八屛矣X得，或許小尺度上的暗物質發生了某種相變，”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，但物理學家對它們很熟悉。它們與超導體類似，是一種可以零阻力移動電子的材料。當溫度降低到接近絕對零度時，氦就像超導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家薩特延德拉·納特·玻色預言。現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。超流體組分體現出了長距離量子效應，不具有黏性，并且在大的距離尺度上出現超預期的相互作用，就好像是由大很多的粒子（實際上是微小的組分）構成的。另一類常規組分的特性就像我們習慣的那樣，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，常規組分就越多。

我們習慣認為量子物理只在微觀領域存在，但是物理學家對量子理論了解得越多，就越發現事實并非如此。玻色-愛因斯坦冷凝體是研究最充分地使量子作用在介質中廣泛傳播的物質之一。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境里，脆弱的量子效應很快會被摧毀。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境里開始量子特性，它就會持續，例如在外太空中。在那里，量子效應或許能夠延伸到廣闊無垠的距離。

超流體暗物質或許還能克服修正引力帶來的心理挑戰：大多數天體物理學家不喜歡它。

如果暗物質是玻色-愛因斯坦冷凝體（具有量子效應、在整個星系中分布），便自然可以解釋暗物質的兩種不同特性。在星系內部，大部分暗物質是超流體相。但是跨越飽含了許多星際空間的整個星系團，大部分暗物質會處于正常態，產生不同的特性。根據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作用。這一模型只有為數不多的幾個開放參數，也就是說，只要幾個參數具有正確屬性就能讓模型成立。

“暗物質或許是玻色-愛因斯坦冷凝體”這一觀點在天體物理學界流行過，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同時可以模擬修正的引力：這達到了他將兩個模型的優點結合的目的。原來引力不需要經過修正就能獲得修正引力理論預測的結果。連貫的超流體可以產生相同的公式，以及相同的特性。這樣一來，庫里的模型就將冷暗物質和修正引力的優點結合起來了，剔除了兩者的劣勢。

超流體暗物質或許還能克服修正引力的最大挑戰：大多數天體物理學家不喜歡它。這些研究者當中許多具有粒子物理學背景，修正引力公式跟他們習慣的理論公式不同。對粒子物理學家來說，這些公式沒有吸引力，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。但是超流體暗物質提供了一個不一樣的，或許更自然的獲得公式的方法。

根據庫里的說法，這些超流體暗物質公式不屬于基礎粒子物理學范疇。它們產生于凝聚態物理理論，描述的不是基本粒子，而是它們在自然狀態下的長距離特性。在庫里的模型里，修正引力中出現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有了強大的理論基礎——只不過是在凝聚態物理領域。

庫里能夠發現這個聯系完全是因為運氣。他無意中看到了一篇凝聚態物理文獻，文獻中使用的公式與他熟知的修正引力公式非常相似。“其余的理論就這樣到位了，”他說，“我認為這一切恰好為將兩種現象統一構造了一個漂亮的圖景。”

回到暗物質的觀測證據上，庫里的超流體理論可以解決許多現有模型無法解決的問題。首先，超流體可以阻止暗物質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都處于同一狀態），” 利貝拉蒂說，“因此不可能出現尖點。”

超流體能夠生成與修正引力公式相同的吸引模式，所以它可以復制出觀測到的星系旋轉曲線的規律性。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才能表現出這種特性。在星系團這種大尺度上，暗物質過于擾動（即過熱），失去了超流體特性。這樣一來，超流體暗物質既可以形成可見星系的基礎，又因為非超流體相而與觀測到的星系團結構吻合。

我還是個學生的時候，每個月都會做關于修正引力的夢。

庫里的理論解釋了為什么天文學家在太陽系內找不到修正引力的證據?！疤柋旧懋a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，你不應該按照連貫的超流體來思考。太陽的作用類似于雜質，就好像流體里出現了異物。”

最后，超流體模型解釋了為什么物理學家沒能夠找到暗物質粒子。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。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相互作用的稀有情況下才能產生可觀測信號的不同物質。雖然使用了多種技術和材料，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存在的決定性證據。

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

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

庫里的模型做出的一個更好更獨特的預測是，超流體的量子特性會在星際碰撞中留下標志性的圖樣。當一個星系中凝聚的暗物質與另一個星系碰撞時，會產生干涉圖樣——物質和引力分布的漣漪，影響星系穩定下來的方式。超流體暗物質還預測星系團內的暗物質組分間具有摩擦，這樣的摩擦又會產生獨特的萬有引力圖樣。觀測引力透鏡效應可以檢測到這些超流體暗物質留下的

痕跡，如果我們很明確地知道自己在找什么的話。

為了量化這些預測，需要進行計算機模擬。庫里目前就在和牛津大學的研究者一起做這樣一個課題。模擬應該還可以顯示超流體暗物質理論預測的衛星星系數量，看看與目前模型預測的相比是否更符合實際觀測結果。

阿曼達·韋爾特曼，開普敦大學研究暗物質的宇宙學家，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，很有創造性”。不過，她說，除非她看見一些實驗證據，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。然后我們就必須習慣一個更加怪異的宇宙觀——宇宙不僅僅充滿暗物質，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度，他暫時還不想拋棄冷暗物質理論?！叭绻麄冊谙乱唤M實驗里發現不了弱相互作用大質量粒子，在未來20年里他們就沒有發現的可能了?！彼f。他認為，重新審視基于非常規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點相結合的模型。