軸子：解開宇宙終極之謎

　　說起宇宙未解之謎，你能想到哪些呢?暗物質之謎，是一個;暗能量之謎，又是一個;再有，就是宇宙為什么會存在(因為在大爆炸之初，宇宙中產生的正反物質是等量的，所以在正反物質相互湮滅之后，宇宙就不應該存在)……當然，你還可能想到更多。不過夠了，這三個謎團可以說是當前宇宙學中最大的謎團;而一種假想粒子，可以一攬子解開這三個難題。一箭三雕(其實還不止呢)，厲害了吧。

藝術家想象中的軸子

　　事情還得從美國理論物理學家弗蘭克·威爾切克1977年的一次散步說起。在那次散步中，他萌生了兩個靈感。第一個是設想一種假想的粒子如何與其他粒子相互作用，這種假想粒子就是后來被發現的希格斯粒子;第二個是設想另一種假想粒子，用于解決強核力中的對稱性問題，而這種假想的粒子，就是我們今天要談的軸子。

粒子物理學中對稱性

　　我們通常把基本粒子分成兩類：一類是構成物質的粒子，比如夸克、電子等，這類粒子叫費米子;另一類是傳遞相互作用的粒子，如傳遞電磁力的光子、傳遞強核力的膠子等，這類粒子叫玻色子。

　　在粒子物理學中，經常要對費米子進行如下三種對稱性操作，以便看看在這些操作以及多個操作的組合下，其相互作用力表現如何：

　　C(電荷共軛)，用對應的反粒子取代每個粒子;

　　P(宇稱)，它將每個粒子替換成其鏡像中的粒子，例如原本向左運動的，替換之后就是向右運動的;

　　T(時間反演)，把時間翻轉反個號，例如射出的粒子，時間反演后就變成射入的粒子;

　　在一個粒子物理學實驗中，如果對涉及的所有粒子都進行了某個對稱性操作之后，實驗結果保持不變，我們就說這個實驗所涉及的相互作用力對于這個操作是對稱的。反之，就說對稱性破缺了。

　　物理學家還從理論上證明，電磁力應該遵守所有這些對稱性;但強核力和弱核力可以違反其中任何一個或兩個組合的對稱性，只是三個組合在一起的對稱性(即CPT對稱性)不能違反。

　　從實驗上看，電磁力確實滿足C、P和T對稱性，以及它們任意組合的對稱性，如CP、CT、PT以及CPT對稱性。同樣，弱核力確實不僅違反了任何一個單獨的對稱性，也違反了CP、CT和PT這些兩個組合在一起的對稱性;只有CPT對稱性它才沒有違反。

　　是什么東西讓強核力這么“乖”?

　　現在，驚喜來了。

　　雖然理論上，強核力可以像弱核力一樣“不乖”，但在實驗上我們卻發現，出于某種未知的原因，強核力始終“很乖”，什么對稱性它都沒有違反：無論是單獨的C、P、T對稱性，還是每一種可能的組合CP、CT和PT，更不用說強制性的CPT。

　　這就怪了，是不是?在粒子物理學的標準模型中，電磁力之所以“乖”，是因為有規定禁止它“不乖”;但對于強核力，并沒有任何禁令，而它卻表現得如此之“乖”!

　　對此，你當然可以簡單地斷言：“好吧，我們也不知道為什么，宇宙可能就是這樣的。畢竟，沒一條‘法律’說‘乖’是犯法的呀?！睕]錯，這可作為一種解釋，但總不那么讓人信服。

　　另一種解決辦法是，假設有什么東西在約束著強核力，使它沒去做“不乖”的事情。那么，是什么東西在約束著強核力呢?這正是威爾切克1977年的那次散步中想到的：假如存在一個新的量子場，也許正是該場約束了強核力。而我們知道，任何量子場都有一種對應的粒子，這種量子場對應的新粒子，就被他命名為“軸子”。不過，這個名字跟通常意義上的“軸”一點關系都沒有，據說取自威爾切克在逛超市時看到的一款清潔劑的名字。

　　根據威爾切克的計算，軸子應該很輕，但質量不為零，不帶電荷，而且與其他基本粒子的作用非常微弱?；谧詈笠稽c，它成了暗物質的候選粒子之一。

　　作為暗物質的軸子

　　產生軸子的可能途徑之一是在大爆炸的最初階段。在這一時期，宇宙的能量、溫度和密度都非常高，所有可以通過愛因斯坦的質能方程E=mc2從能量中產生的粒子都應該產生，其中就包括極輕的軸子。由于其質量極輕，即使在今天，它們的運動速度仍然非常快。這意味著它們可以作為一種熱暗物質(見小貼士：熱暗物質和冷暗物質)。熱暗物質雖然無助于解釋今天困擾天文學家的星系未解體之謎，但有助于解釋宇宙的大尺度結構是如何形成的。

　　我們知道，從大尺度上來看，宇宙就像一張絲狀的大網：所有發光的物質，如恒星、星系，位于絲狀結構的網繩上，在它們中間，是一個個空洞。宇宙誕生之初，本來物質分布是非常均勻的，為何會演化成這副模樣?這一直有待解釋——當然，已經有別的解釋。而這里，作為熱暗物質的軸子，可以提供另一種解釋。

　　在宇宙的早期，雖然軸子運動很快，但軸子場始終在振蕩之中。振蕩的結果是，有些地方軸子的密度大一些，有些地方軸子的密度小一些，在整個宇宙空間形成疏密不等的網狀結構。密度大的地方引力強，吸引了更多的普通物質來此聚集，因此軸子就充當了宇宙“腳手架”的作用。此后，就算“腳手架”拆了，但“建造”的工作已經完成，宇宙大尺度結構的雛形被保留下來，后來逐漸演化成我們今天看到的這個模樣。

　　不過，除了熱暗物質，軸子也可能作為冷暗物質出現。這就不得不談談產生軸子的第二種可能途徑。

　　鑒于軸子是靜止質量不為零的粒子中最輕的(而光子的靜止質量為零)，根據某些理論預言，在適當條件下，軸子和光子可以相互轉化。這些條件包括：光子在星系際空間遠距離傳播時;在中子星的強磁場中;在質量足夠大的恒星中心。而在最后一種條件下產生的軸子，速度可以很慢，可以永久存在于恒星的內核中。

　　這意味著什么?這意味著恒星內部會源源不斷地產生冷暗物質!隨著時間的推移，星系中冷暗物質的數量會不斷增加，從而使位于星系邊緣的恒星的環繞速度不斷加快。瞧，星系未解體之謎不就解決了嗎?

　【小貼士】熱暗物質和冷暗物質

　　我們知道，暗物質是天文學家為了解釋星系未解體之謎，即“位于星系邊緣的恒星運動得那么快，為什么沒有飛離星系”這個問題提出來的。因為位于星系邊緣的恒星運動那么快，可是整個星系中可觀測物質的引力都不足以為它提供高速運動所需的向心力，所以一個很自然的猜測是，星系中心必定盤踞著很大一部分我們迄今沒有探測到的物質。為什么迄今沒有探測到呢?這又是因為這種未知的物質跟普通物質很少發生相互作用，我們的望遠鏡捕捉不到它們。這就是“暗物質”這個概念的由來。

　　我們現在一提起暗物質，一般都只說它跟普通物質幾乎沒有相互作用(除了引力)，但你注意到沒有，要解釋星系未解體之謎，事實上還有一個要求：暗物質需要長期盤踞在星系中心。這意味著它或者靜止，或者移動速度很慢，保證能夠聚集成團。滿足這樣條件的暗物質，叫冷暗物質，而不滿足這個條件的暗物質，叫熱暗物質。

　　事實上，在已知的基本粒子中，中微子從某種程度上就是一種熱暗物質，因為它跟普通物質幾乎沒有相互作用，同時又移動很快。但熱暗物質無助于解釋星系未解體之謎。正是有鑒于此，有人提出或許存在一種移動很慢的未知中微子(惰性中微子)，它可作為暗物質的候選粒子。

作為暗能量的軸子

　　更有趣的是，如果光子在星系際空間遠距離傳播時也能轉化成軸子，那么軸子甚至可以解釋暗能量之謎!

　　我們不妨先回憶一下“暗能量”這個概念天文學上是怎么提出來的。

　　我們知道，宇宙起源于一場大爆炸，所以至今一直都在膨脹。對于這一點，誰都沒有異議。不過，考慮到自大爆炸之后，由于在宇宙尺度上起作用的只有引力，而引力是一種讓萬物吸聚在一起的力，因此宇宙的膨脹應該在減速才對?？墒?，天文學家卻發現，宇宙的膨脹非但沒有減速，反而在加速。于是，他們猜測，一定是什么東西在給宇宙膨脹加速。這種未知的東西被命名為“暗能量”。

　　那么，他們又是怎么發現宇宙在加速膨脹的呢?對了，他們是通過觀察遙遠的、起到標準燭光作用的Ia型超新星的亮度，來發現這一點的。他們發現，Ia型超新星的亮度比預期的要暗，由于這類超新星的真實亮度是固定的，這意味著它們的距離比我們預期的要遠。那么，為什么它們的距離比預期的要遠呢?說明宇宙膨脹比我們預期的要快，膨脹加速了。

　　這就是天文學上“暗能量”這個概念的由來。據估計，暗能量占到宇宙總質量-能量的68%左右，但我們至今對它到底是什么東西一無所知。

　　但是，如果按前面光子和軸子相互轉化的第一個條件，即在星系際空間遠距離傳播時，光子可以轉化成軸子，那么暗能量之謎就很容易解釋。遙遠的Ia型超新星為什么看起來比預期的要黯淡?這里沒有幕后的主謀，無非是它們發出的光中，一部分光子轉化成了軸子。所以，有了軸子，暗能量就成了“多余的假設”。

　　除了暗物質和暗能量之外，軸子還能解釋為什么會有宇宙存在。有人提出，如果宇宙誕生之初軸子場是朝著一個方向旋轉的，就能解釋為什么物質會比反物質多，從而形成了今天的宇宙。

　　暗物質粒子的首選者

　　軸子作為暗物質的候選粒子，其實早在1983年就提出來了，但一直沒有得到實驗家的重視。主要原因是它們的質量范圍太大，若不縮小范圍，尋找它們就猶如大海撈針一樣渺茫。由于能量和質量是可以互換的，物理學家使用一個叫“電子伏特”的能量單位來衡量粒子的質量。質子的質量約為10億電子伏特，電子的質量約為51.1萬電子伏特，目前基本粒子中除光子外最輕的粒子——中微子的質量，其上限是0.8電子伏特，而最重的軸子可能只有1電子伏特的百分之一，最輕可以低至1電子伏特的萬億分之一。由于軸子的質量范圍如此之大，沒有人知道該從哪里入手。

　　與此同時，另一種暗物質的候選粒子——弱相互作用大質量粒子(WIMP)受到實驗家的青睞。據估計，WIMP質量比軸子大得多，大約相當于質子的質量，這意味著尋找WIMP的實驗更容易開展。但是，尋找WIMP的工作已經持續幾十年了，至今仍一無所獲。于是，最近幾年，軸子得到了越來越多的關注。目前，它基本上已成為暗物質粒子的首選。

　　如果軸子被探測到，它有可能構成所有暗物質，但也有可能只占暗物質的一小部分，其余的是其他候選者——比如WIMP以及大爆炸遺留下來的原始黑洞。普通物質的成分很復雜，比如有質子、中子、電子等等，暗物質也沒有理由只能是一種東西。

　　軸子本身可能也不會只有一種形態。如果存在一種軸子，那么很可能存在一系列軸子，從超輕到相對較重的，每種軸子適用于解決不同的問題。

　　如何探測軸子?

　　上面說了這么多，但探測不到，一切都白搭。探測軸子主要依賴于它的電磁特性，即在強磁場的誘導下它可以轉變成光子。如果我們能夠正確地猜測軸子的質量范圍，一個低溫冷卻且尺寸對頭的電磁腔就能使軸子轉變成適當頻率的光子。當地球繞太陽運行并穿過銀河系時，作為暗物質的軸子不僅會不斷地進出這個電磁腔，而且里面軸子的密度也會隨著我們在銀河系中的運動而改變，當其密度足夠高時，我們就應該能夠探測到軸子。

　　這類地面的實驗叫“軸子暗物質實驗(ADMX)”。美國華盛頓大學的物理學家自1996年以來一直在開展這方面的實驗。雖然迄今沒有捕捉衰變為光子的軸子，但他們已經把軸子的質量范圍縮小了大約5%。目前他們仍在繼續進行探索，可能明天就發現軸子也說不定。

　　1980年代，研究人員對軸子場進行了研究，發現當光子穿過軸子場時，軸子場會與光子相互作用，導致光子的性質改變。2020年，物理學家在研究普朗克衛星對CMB的測量結果時，發現了一些耐人尋味的東西。他們觀察到一種叫做“偏振”的特性，發現CMB的偏振旋轉了幾度?？磥?，在CMB在到達普朗克衛星的過程中，似乎有什么東西干擾了它們。他們猜測，CMB可能在傳播過程中穿過了軸子場。

　　此外，我們前面說過，在宇宙的早期，軸子場處于振蕩之中，這種振蕩可能會產生時空漣漪，即引力波。當然，這種引力波是非常微弱的，相對于我們現在探測到的黑洞碰撞產生的引力波，只能算是一種背景。

　　2023年6月，對脈沖星的測量在實驗上首次表明，宇宙中確實存在著引力波背景。雖然引力波背景的來源可能不止一個，但探測它們可以幫助我們縮小軸子的潛在范圍。

　　沉舟側畔千帆過，病樹前頭萬木春?？偠灾?，在探測暗物質方面經歷了幾十年的挫折之后，天文學家對于探測軸子的熱情最近高漲起來。

　　前面說過，“軸子”這個名字最初來自一款清潔劑。如果軸子真的存在，它就能無愧于這個名字，為宇宙清理掉一大堆亂七八糟的東西。但愿它早日現形吧。