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馬牛不相及的感覺，但卻是現(xiàn)代物理學一種十分合理的推論。

在現(xiàn)代物理學中，最大的烏云之一就是暗物質(zhì)

在我上期物理學烏云系列中，我已經(jīng)講過如何利用標準模型完成大統(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)并不是一種實錘的具體物質(zhì)，真正實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鏡發(fā)現(xiàn)船底座兩個星系團(子彈星系團)碰撞時，星系團產(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，勿增實體”的理念。

畢竟如果貿(mào)然假設一種從未證實的物質(zhì)存在，這樣的風險和代價實在是太大了，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發(fā)展方向都帶偏了，導致后來麥克斯韋，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)烏云較為可靠的學說。

首先看一下修正引力理論，這一派認為，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，因為現(xiàn)象是真實存在的，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丁，發(fā)現(xiàn)一個漏洞，就修補一個，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，不斷打補丁，最后走向了無法驗證的死胡同。

在應用上，修正引力理論在解釋子彈星系團的引力透鏡時，當統(tǒng)計顯著性達到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。所以如果要假設暗物質(zhì)就是黑洞，那就得假設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。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?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人類通過望遠鏡觀測不到的“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。

事實上，物理學界關(guān)于暗物質(zhì)的定義還有爭議，最早我們認為暗物質(zhì)是不參與強力，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)實在很抽象，而且這也會導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)有的標準模型框架，在標準模型的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準模型框架嘗試解決暗物質(zhì)烏云的方式。

當然，在這里可能就有人怒噴物理學家都是飯桶，不敢打破桎梏，一味只在現(xiàn)有框架里解決烏云。但事實上，這明顯是一種幸存者偏差，物理學史上像愛因斯坦，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)有標準模型的框架解決暗物質(zhì)烏云，畢竟標準模型是幾十年來，無數(shù)個物理學家和無數(shù)個實驗共同造就的巔峰之作，也是目前最為成功的理論。

在標準模型的預言中，暗物質(zhì)粒子可能只是不參與電磁力和強力，但是會參與引力和弱力的粒子。

因為這樣的粒子，起碼可以在標準模型中找到，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，這就導致中微子以接近光速的速度運動。

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？

其實這里面的熱冷指的不是溫度，而是暗物質(zhì)的運動速度。

如果暗物質(zhì)運動速度在牛頓力學的框架內(nèi)，也就是速度比較慢，不足以產(chǎn)生相對論效應，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)指的正是運動速度比較慢的冷暗物質(zhì)。

如果暗物質(zhì)的速度達到光速的10%左右，就足以產(chǎn)生相對論效應，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。

看過我上期標準模型視頻的小朋友們就會對希格斯機制有所了解。

在標準模型的預言中，中微子的靜止質(zhì)量為0，因為在標準模型中，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米子以質(zhì)量。

標準模型只允許基本粒子通過希格斯機制獲得質(zhì)量，暫時還沒有第二種質(zhì)量賦予機制。

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

在費米子中，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。希格斯機制就是通過不斷翻轉(zhuǎn)費米子的手性對稱，才使其費米子獲得了質(zhì)量。

比如，左手性電子通過希格斯機制被翻轉(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。費米子的手性翻轉(zhuǎn)在希格斯機制下持續(xù)進行，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，因為中微子只有左手性，不存在右手性中微子，希格斯機制無法翻轉(zhuǎn)中微子手性，所以中微子無法通過希格斯機制獲得質(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，這種觀點其實具有歧義。現(xiàn)在最新觀點認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，標準模型預言中微子靜止質(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，當時還宣稱中微子超光速運動。

物理學大廈在2011年還差一點點坍塌了。當然，后來修正了實驗結(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，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，不能通過希格斯機制獲得質(zhì)量，它的質(zhì)量則來自另外一種機制，這就是中微子振蕩，那什么又是中微子振蕩呢？

在經(jīng)典的標準模型圖中，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，因為光速運動的粒子不會經(jīng)歷時間，也不會有變化。

你看光子以光速運動，其實光子本身并沒有經(jīng)歷時間，數(shù)十億光年外的光子抵達地球，其時間為0，出發(fā)即抵達，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))。

所以在標準模型中，中微子不像其他費米子有精確的質(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。

類比其他費米子手性翻轉(zhuǎn)獲得質(zhì)量是通過希格斯機制來實現(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制的現(xiàn)象而實現(xiàn)的。

如果能搞清楚賦予中微子“味變”的機制，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力，所以也無法和普通物質(zhì)發(fā)生作用而構(gòu)成復合粒子。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，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！