暗物質(zhì)“幽靈”或許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種“幽靈”到底是不是中微子？

暗物質(zhì)是未知的“幽靈”，中微子是已知的“幽靈”，這兩者看起來好像風(fēng)馬牛不相及，但很有可能都是同一個“幽靈”！

就和電與磁一樣，看起來毫不相干，其本質(zhì)上卻是一致的。

比如蟲洞和量子糾纏可能就是同一事物，這就是ER=EPR的推論。

還譬如中微子就很有可能是暗物質(zhì)。

中微子或許就是暗物質(zhì)，這樣的推論乍一看會給人一種風(fēng)馬牛不相及的感覺，但卻是現(xiàn)代物理學(xué)一種十分合理的推論。

在現(xiàn)代物理學(xué)中，最大的烏云之一就是暗物質(zhì)

在我上期物理學(xué)烏云系列中，我已經(jīng)講過如何利用標(biāo)準(zhǔn)模型完成大統(tǒng)一理論的思路。但評論區(qū)有人說，即便完成了弱電理論和強(qiáng)力融合的大統(tǒng)一理論，那納入引力還得考慮暗物質(zhì)，如果暗物質(zhì)這一朵大烏云無法解決，那大統(tǒng)一理論就無法晉升成萬有理論。

的確，暗物質(zhì)是現(xiàn)代物理學(xué)十分棘手的問題。

首先，在這里需要糾正一種不太正確的觀念，暗物質(zhì)并不是一種實(shí)錘的具體物質(zhì)，真正實(shí)錘是天文觀測的大尺度引力作用和現(xiàn)有引力理論不相符的現(xiàn)象。

大尺度引力現(xiàn)象和理論不符有兩個確鑿的證據(jù)

第一個證據(jù)就是星系自轉(zhuǎn)時，星系外側(cè)旋轉(zhuǎn)速度比理論預(yù)測的要快，如果星系內(nèi)部沒有額外的質(zhì)量，那星系向心力就無法拉攏住外側(cè)天體，那星系就不會是如今的形狀。

第二個證據(jù)則是，在2003年，科研人員通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)船底座兩個星系團(tuán)(子彈星系團(tuán))碰撞時，星系團(tuán)產(chǎn)生的引力透鏡十分異常，額外多出來了一種“未知”的引力透鏡現(xiàn)象。在照片中可以發(fā)現(xiàn)，粉色部分是正常物質(zhì)產(chǎn)生的引力透鏡現(xiàn)象。

而藍(lán)色部分的引力透鏡現(xiàn)象是一種未知物質(zhì)產(chǎn)生的。所以藍(lán)色部分的引力透鏡也被視為暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

目前關(guān)于如何解釋這些引力現(xiàn)象與理論不符的思路有四種！

其中最為我們熟知的就是假設(shè)存在一種不參與電磁作用，只參與引力作用的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是我們常說的暗物質(zhì)。

還有一派則秉持著“如無必要，勿增實(shí)體”的理念。

畢竟如果貿(mào)然假設(shè)一種從未證實(shí)的物質(zhì)存在，這樣的風(fēng)險和代價實(shí)在是太大了，比如在牛頓時代，為了讓引力和超距作用自洽，引入了亞里士多德在2000多年前憑空創(chuàng)造的以太概念，最后甚至將整個物理學(xué)發(fā)展方向都帶偏了，導(dǎo)致后來麥克斯韋，馬赫，洛倫茲，龐加萊等人被束縛在以太的框架內(nèi)，直到愛因斯坦剔除掉以太學(xué)說，狹義相對論才徹底被提出來。

所以剩下三種思路都是在不引入未知物質(zhì)的前提下，解決現(xiàn)有引力理論和觀測結(jié)果不符的矛盾。

這三種思路分別是修正引力理論，原初黑洞假說，中微子假說。

而中微子假說是目前看來，在不引入未知物質(zhì)的前提下，解決暗物質(zhì)烏云較為可靠的學(xué)說。

首先看一下修正引力理論，這一派認(rèn)為，既然引力理論和觀測現(xiàn)象不符，那肯定得以現(xiàn)象為基準(zhǔn)，因?yàn)楝F(xiàn)象是真實(shí)存在的，是確定的，物理理論也正是基于現(xiàn)象而歸納出來的，所以我們可以通過不斷修正引力理論使其符合現(xiàn)象即可。

修正引力理論缺陷上就是不斷打補(bǔ)丁，發(fā)現(xiàn)一個漏洞，就修補(bǔ)一個，從來沒有在宏觀層面和底層原理上解決問題，就和超弦理論一樣，不斷打補(bǔ)丁，最后走向了無法驗(yàn)證的死胡同。

在應(yīng)用上，修正引力理論在解釋子彈星系團(tuán)的引力透鏡時，當(dāng)統(tǒng)計顯著性達(dá)到8σ時，修正引力理論就會失效，也就是無法再用修正引力理論解釋子彈星系團(tuán)的引力異常現(xiàn)象。

所以修正引力理論不管是在理念上，還是驗(yàn)證上，都很難讓大部分人信服。

第二種是原初黑洞的假說，其思路十分驚奇。這是一種照著暗物質(zhì)的特點(diǎn)硬猜的思路。

首先暗物質(zhì)不參與電磁作用，所以探測器就接收不到暗物質(zhì)的電磁作用，在結(jié)果上來看，人類也接收不到黑洞內(nèi)部的電磁作用。即便構(gòu)成黑洞的物質(zhì)會參與電磁力，但是由于黑洞的逃逸速度大于光速，所以從結(jié)果上來看，黑洞和暗物質(zhì)在這一點(diǎn)是相同的。

正常情況下，由恒星坍塌形成的大質(zhì)量黑洞一般都會在周圍形成吸積盤，雖然看不到黑洞，但也可以通過吸積盤直接確定黑洞的存在。所以如果要假設(shè)暗物質(zhì)就是黑洞，那就得假設(shè)存在大量無法形成吸積盤的黑洞。

而這就要求黑洞的質(zhì)量比較小，通過計算，這樣的黑洞質(zhì)量在10∧14~10∧23kg的區(qū)間。而月球質(zhì)量是7.36×10∧22kg，這就要求黑洞的質(zhì)量比月球質(zhì)量還小，或者略大一點(diǎn)。而由恒星坍塌是無法形成如此小質(zhì)量黑洞的。

但在宇宙演化的早期，宇宙曾經(jīng)處于超高密度狀態(tài)，這時候就有可能產(chǎn)生大量的小質(zhì)量黑洞，其中在量子尺度的微黑洞早已蒸發(fā)，剩下月球質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙纯赡艽罅看嬖谟谟钪嬷小?/p>

這些黑洞是宇宙誕生之初創(chuàng)造的，也叫原初黑洞。這些原初黑洞大量分布在星系之間，也無法形成吸積盤，而且霍金輻射的數(shù)量小到人類難以觀測到。所以這些原初黑洞就會在星系中充當(dāng)人類通過望遠(yuǎn)鏡觀測不到的“暗物質(zhì)”。

用原初黑洞取代暗物質(zhì)最大的缺陷就是，需要假設(shè)宇宙中存在數(shù)量極其龐大的原初黑洞。即便原初黑洞質(zhì)量較小，但架不住數(shù)量多，人類很難發(fā)現(xiàn)不了這些原初黑洞的存在。所以原初黑洞，目前并不能成為解釋暗物質(zhì)的主流學(xué)說。

而第三種則是中微子假說，這也是目前最為靠譜解決暗物質(zhì)烏云的候選理論。

事實(shí)上，物理學(xué)界關(guān)于暗物質(zhì)的定義還有爭議，最早我們認(rèn)為暗物質(zhì)是不參與強(qiáng)力，弱力，電磁力，只參與引力的物質(zhì)。

但是只參與引力，不參與其他三種力的物質(zhì)實(shí)在很抽象，而且這也會導(dǎo)致研究方向很難開展。試想一下，如果一種物質(zhì)只有引力作用，沒有其他三種力，那簡直是瞎子摸象，就會完全脫離現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型框架，在標(biāo)準(zhǔn)模型的61種基本粒子中，還找不到只參與引力的粒子。而中微子假說正是一種基于標(biāo)準(zhǔn)模型框架嘗試解決暗物質(zhì)烏云的方式。

當(dāng)然，在這里可能就有人怒噴物理學(xué)家都是飯桶，不敢打破桎梏，一味只在現(xiàn)有框架里解決烏云。但事實(shí)上，這明顯是一種幸存者偏差，物理學(xué)史上像愛因斯坦，波爾這樣打破原有規(guī)則，且成功的案例并不多，更多的是脫離現(xiàn)有框架而失敗的理論。

所以最穩(wěn)妥的方式還是基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模型的框架解決暗物質(zhì)烏云，畢竟標(biāo)準(zhǔn)模型是幾十年來，無數(shù)個物理學(xué)家和無數(shù)個實(shí)驗(yàn)共同造就的巔峰之作，也是目前最為成功的理論。

在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言中，暗物質(zhì)粒子可能只是不參與電磁力和強(qiáng)力，但是會參與引力和弱力的粒子。

因?yàn)檫@樣的粒子，起碼可以在標(biāo)準(zhǔn)模型中找到，這就是中微子。

現(xiàn)在的問題是中微子的質(zhì)量極小，甚至小于電子質(zhì)量的百萬分之一，這就導(dǎo)致中微子以接近光速的速度運(yùn)動。

如果中微子要算作是暗物質(zhì)粒子，只能算是熱暗物質(zhì)。講到這里，可能有人要問，什么是熱暗物質(zhì)，難道暗物質(zhì)還有溫度嗎？

其實(shí)這里面的熱冷指的不是溫度，而是暗物質(zhì)的運(yùn)動速度。

如果暗物質(zhì)運(yùn)動速度在牛頓力學(xué)的框架內(nèi)，也就是速度比較慢，不足以產(chǎn)生相對論效應(yīng)，那這時的暗物質(zhì)就被視為冷暗物質(zhì)。我們常說的暗物質(zhì)指的正是運(yùn)動速度比較慢的冷暗物質(zhì)。

如果暗物質(zhì)的速度達(dá)到光速的10%左右，就足以產(chǎn)生相對論效應(yīng)，這時的暗物質(zhì)就是溫暗物質(zhì)。

而如果暗物質(zhì)的速度接近光速，那這時的暗物質(zhì)就是熱暗物質(zhì)。

目前中微子就是熱暗物質(zhì)的候選粒子。

而宇宙中大部分暗物質(zhì)可能都是冷暗物質(zhì)。這些冷暗物質(zhì)也可能是中微子嗎？

目前來說，這是有可能的。

如果中微子要成為構(gòu)成冷暗物質(zhì)的基本粒子，那就要求中微子的運(yùn)動速度比較慢，這就要求中微子的質(zhì)量增大。根據(jù)狹義相對論，粒子的靜止質(zhì)量越大，其速度上限就越小。所以要想讓中微子成為冷暗物質(zhì)粒子，就得讓中微子慢下來，也就是讓中微子質(zhì)量增加。

而關(guān)于中微子質(zhì)量來源，仍然是另一朵烏云。

看過我上期標(biāo)準(zhǔn)模型視頻的小朋友們就會對希格斯機(jī)制有所了解。

在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言中，中微子的靜止質(zhì)量為0，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)模型中，只納入了希格斯粒子，粒子即是量子場，所以希格斯粒子代表的希格斯場會賦予除中微子以外所有費(fèi)米子以質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)模型只允許基本粒子通過希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量，暫時還沒有第二種質(zhì)量賦予機(jī)制。

上期內(nèi)容我已經(jīng)詳細(xì)講過，希格斯場具有能量是因?yàn)槠鋵ΨQ性破缺。只要對稱性破缺就會激發(fā)出質(zhì)量。

在費(fèi)米子中，除了中微子家族，其他粒子都具有手性對稱性。而手性對稱如果遭到翻轉(zhuǎn)，這些粒子就會獲得質(zhì)量。希格斯機(jī)制就是通過不斷翻轉(zhuǎn)費(fèi)米子的手性對稱，才使其費(fèi)米子獲得了質(zhì)量。

比如，左手性電子通過希格斯機(jī)制被翻轉(zhuǎn)成右手性電子，從而就獲得了能量，而能量又等價于質(zhì)量，從而獲得質(zhì)量。費(fèi)米子的手性翻轉(zhuǎn)在希格斯機(jī)制下持續(xù)進(jìn)行，翻轉(zhuǎn)速度越快，獲得的質(zhì)量越大。

但是中微子不存在手性對稱，因?yàn)橹形⒆又挥凶笫中裕淮嬖谟沂中灾形⒆樱８袼箼C(jī)制無法翻轉(zhuǎn)中微子手性，所以中微子無法通過希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量。

由于左手性中微子都是通過弱力產(chǎn)生的。所以假設(shè)存在既有左手性也有右手性中微子，那它一定不會參與弱力。

所以左右手性中微子就是一種僅參與引力，但不參與弱力，強(qiáng)力和電磁力的粒子，參與的基本力越少，性質(zhì)就越穩(wěn)定，就和惰性氣體一樣，所以左右手性中微子在某種情況下也被稱為惰性中微子。

在一些科普中，會將右手性中微子等同于惰性中微子，這種觀點(diǎn)其實(shí)具有歧義。現(xiàn)在最新觀點(diǎn)認(rèn)為如果中微子具有右手性，那也是具有左手性的。

惰性中微子是具有左右手性對稱的。所以惰性中微子可能就會通過希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量，那么它的質(zhì)量就會比普通中微子質(zhì)量大，所以運(yùn)動速度就比較慢。是溫暗物質(zhì)粒子最佳的候選者。

在早期，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中微子靜止質(zhì)量為0。

但是靜止質(zhì)量為0的中微子就意味著中微子的速度為光速。在2011年，歐洲核子中心測量中微子的速度時，還鬧出過烏龍，當(dāng)時還宣稱中微子超光速運(yùn)動。

物理學(xué)大廈在2011年還差一點(diǎn)點(diǎn)坍塌了。當(dāng)然，后來修正了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，中微子的速度略低于光速。這就意味著中微子具有靜止質(zhì)量。

那中微子的靜止質(zhì)量到底是怎么來的，如果能搞清楚這一點(diǎn)，那或許就可能發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量中微子，這樣一來，冷暗物質(zhì)粒子可能就會被徹底發(fā)現(xiàn)。暗物質(zhì)烏云就有可能被突破。

現(xiàn)在我們只能知道中微子只有左手性，不能通過希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量，它的質(zhì)量則來自另外一種機(jī)制，這就是中微子振蕩，那什么又是中微子振蕩呢？

在經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)模型圖中，我們會發(fā)現(xiàn)有三種中微子，分別是電中微子，μ中微子和τ中微子。這三種中微子的質(zhì)量依次增大。

分別對應(yīng)三種不同的味。就和夸克的味一樣。“味”并不是所謂的味道，而是一種量子數(shù)。

這三種中微子的味，會不斷變化。也就是電中微子會變成μ中微子，μ中微子變成τ中微子，τ中微子又變成電中微子。這種變化無時無刻都在進(jìn)行。

中微子不斷發(fā)生“味”變，變化就意味著中微子經(jīng)歷了時間，如果沒有經(jīng)歷時間，那中微子就不可能發(fā)生變化。而一個粒子如果經(jīng)歷了時間，就意味著它必須低于光速，因?yàn)楣馑龠\(yùn)動的粒子不會經(jīng)歷時間，也不會有變化。

你看光子以光速運(yùn)動，其實(shí)光子本身并沒有經(jīng)歷時間，數(shù)十億光年外的光子抵達(dá)地球，其時間為0，出發(fā)即抵達(dá)，宇宙誕生之初的光子如果一直在宇宙中飛行，直到宇宙毀滅。那對于光子來說，經(jīng)歷的時間也為0，宇宙誕生即宇宙毀滅。

所以中微子“味”的變化就意味著中微子經(jīng)歷了時間，速度必然低于光速，而低于光速其靜止質(zhì)量也必然大于0。這就是中微子的質(zhì)量來源。

但是中微子會處于“味”和質(zhì)量的疊加態(tài)。

就和不確定性原理一樣，當(dāng)我們得知中微子精確的質(zhì)量(質(zhì)量本征態(tài))，它的味道就是混合的(味疊加態(tài))，也就是這中微子處于電謬陶的混合狀態(tài)。當(dāng)我們得知中微子精確的“味”(味本征態(tài))，也就是具體是哪一種中微子時，這時候它的質(zhì)量就是混合的(質(zhì)量疊加態(tài))。

所以在標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子不像其他費(fèi)米子有精確的質(zhì)量，每一種中微子的質(zhì)量只能取一定的范圍。

中微子“味”在不斷變化，經(jīng)歷了時間，從而獲得了質(zhì)量，這就是中微子振蕩。

類比其他費(fèi)米子手性翻轉(zhuǎn)獲得質(zhì)量是通過希格斯機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，我們有理由相信，中微子“味變”的是通過另一種類似希格斯機(jī)制的現(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)的。

如果能搞清楚賦予中微子“味變”的機(jī)制，那么到時候就有可能尋找到大質(zhì)量中微子，也就是只參與弱力和引力的大質(zhì)量中微子。

由于大質(zhì)量中微子不參與電磁力，所以我們無法直接探測到，而且它們也不參與強(qiáng)力，所以也無法和普通物質(zhì)發(fā)生作用而構(gòu)成復(fù)合粒子。但是由于它們具有較大的質(zhì)量，在引力的作用下，它們就會聚合成團(tuán)狀物質(zhì)。但它們又具有一定的速度，所以并不會形成規(guī)則的球體。而更多表現(xiàn)成不規(guī)則的團(tuán)狀形態(tài)。這就和冷暗物質(zhì)的引力分布造成的不規(guī)則“形狀”極為相似。

所以大質(zhì)量中微子就很有可能是冷暗物質(zhì)的候選粒子。

最后總結(jié)一下，暗物質(zhì)按照運(yùn)動速度可以劃分為熱，溫，冷三種暗物質(zhì)。

常見的中微子質(zhì)量十分小，運(yùn)動速度接近光速，被視為是熱暗物質(zhì)的理想粒子。

惰性中微子質(zhì)量比較大，速度無法接近光速，但是也足以產(chǎn)生相對論效應(yīng)，是溫暗物質(zhì)的候選粒子。

而大質(zhì)量中微子質(zhì)量相對而言最大，速度比較慢，是冷暗物質(zhì)的候選粒子。當(dāng)然大質(zhì)量中微子目前僅僅只是猜測，是證據(jù)最為匱乏的一種推理。

現(xiàn)在熱門的冷暗物質(zhì)粒子是大質(zhì)量弱相互作用粒子，比如四種不帶電荷的超中性子，它們和中微子很像，都不帶電荷，所以都不參與電磁力。

其中最輕的超中性子可能就是冷暗物質(zhì)粒子。至于超中性子是不是大質(zhì)量中微子，或者和中微子有什么關(guān)系，目前還不太清楚。

從普通中微子到惰性中微子再到大質(zhì)量中微子，越往后，其猜想越缺乏證據(jù)。所以暗物質(zhì)依舊是物理學(xué)天空中難以驅(qū)散的烏云。

最后還是那句話，已知圈越大，未知圈就更大！