如果从未发现暗物质会怎样
## 如果我们从未找到暗物质会怎样？
寻找宇宙中缺失物质的过程会不会成为科学史上最大的徒劳之举？
光电倍增管在意大利格兰萨索国家实验室的XENONnT实验中用于探测暗物质粒子与液态氙相互作用的迹象。
氙气协作组
系统繁忙，请稍后再试
我曾经有一段更富趣味的清晨通勤经历。
天刚破晓，我便挤进一辆小巧的菲亚特汽车，车里坐满了物理学家。
我们沿着蜿蜒的意大利山路行驶，随后驶上横贯半岛的高速公路，穿过一座隧道——那隧道正凿穿半岛最雄伟的山脉——大萨索山。
当车辆抵达隧道最深处时，头顶上方几乎有一英里的岩层覆盖，我们便在此处拐弯，穿过一道有专人看守的门禁，进入地球上最寂静的场所之一。
我们曾在2019年身处此处，致力于打造一台比历史上任何粒子探测器都更灵敏的设备。
我们日复一日地工作，通宵达旦，几乎每个周末都留在这个地下洞穴中，与国际竞争对手展开竞赛，旨在揭开宇宙中缺失的五分之六物质之谜。
在拧螺丝或凝视压力表的零星空闲时间里，我时常会问队友们，我们赢得那场比赛的可能性有多大。
零。
他们通常这样回答。
起初我感到惊讶，便开始向团队之外的同事打听，无论是在学术会议还是聚会上，我发现这并非只有我们如此。
很少有专家——尤其是年轻一代——认为任何科学项目正接近于发现暗物质。
七年来，这些质疑声只增不减。
四十余年间，我们始终未能确认构成暗物质的粒子——这种看不见却真实存在的物质，充斥于我们所观测到的每一个星系之中，构成了宇宙中不可忽视的重要部分。
如今，越来越多的物理学家开始承认，这一难题或许永远无法得到解决。
自然并不总是向我们许诺所期望的结果。
物理学家兼数学家爱德华威滕指出。
他于1985年发表的论文首次提出弱相互作用大质量粒子（WIMP）有可能在地球上被探测到，由此开创了我博士阶段所专注的研究领域。
这令人遗憾，但自然完全可能选择了某种我们永远无法探测到的暗物质粒子。
威滕如是说。
许多信徒依然存在。
暗物质探测者们正急切地在各种新旧方向上寻找，希望大自然无法永远保守这个秘密。
9月初，随着搜索变得愈发迫切，科学界对一个探测器中出现的单一未解释碰撞事件反应激烈，而这一事件并未符合WIMP模型的特征。
我愿意打赌1000美元，这次可能的暗物质探测结果，像过去30年中我们获得的每一点微小希望一样，最终都会消失。
我希望能输掉这场赌注，但我知道不会。
（
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这个观点在现在可能是一种过时的观点，因为科学方法alreadyhasmanylimitationsanditseffectiveuserequiresalotofresourcesandskills.However,ifweconsiderthehistoryofscience,thescientificmethodhasbeenapowerfultoolforadvancinghumanknowledgeforcenturies.Itisimportanttonotethatthescientificmethodisnotaperfectmethodandhasitsownlimitations.Therefore,weshouldcontinuetorefineandimprovethescientificmethodtomakeitmoreeffectiveinsolvingrealworldproblems. finaltranslation科学方法，给enoughtimeandsmartpeople,willgetusoveranyhurdle,bringingusclosertothetruthofthings. note这段话可能过时，因为科学方法已经manylimitationsanditseffectiveuserequiresalotofresourcesandskills.However,ifweconsiderthehistoryofscience,thescientificmethodhasbeenapowerfultoolforadvancinghumanknowledgeforcenturies.Itisimportanttonotethatthescientificmethodisnotaperfectmethodandhasitsownlimitations.Therefore,weshouldcontinuetorefineandimprovethescientificmethodtomakeitmoreeffectiveinsolvingrealworldproblems. 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如果暗物质推翻了这一信念——如果在人类历史的剩余时间里，六分之五的物质将继续隐藏在不可知的坚壁之后——那么也许我一直以来对科学本身的看法都是错误的。
也许所有科学家都应该正视一个他们长期忽视、但许多哲学家早已接受的可能性：即科学永远无法为我们提供关于现实的完整图景。
或者，将这一观点推向极端——正如我在某些灰暗时刻开始思考的那样——我们的理论不过是世界的一个有用却最终毫无意义的摹本。
因此，我逐渐相信，暗物质或许将成为科学给予我们最深刻的启示。
第一个问题是，暗物质确实存在。
天文学家薇拉C鲁宾在20世纪70年代系统地观测了天空中尽可能多的星系。
她发现，每个可观测星系边缘的恒星运动速度都快得异常。
就像一辆赛车以过高的速度入弯，这些恒星本应被甩出轨道，飞入虚空。
然而，我们所能观测到的星系中心所有物质产生的引力，根本不足以将它们束缚在轨道上。
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为什么我们喜欢无法解释的谜团
鲁宾的数据无懈可击。
它们只留下两种可能：要么引力并不像物理学家此前所认为的那样起作用，要么每个星系中都存在大量我们无法观测到的物质。
TwogalaxyclusterscollidedintheBulletCluster,wheretheregularmatter(pink)hasbeenstrippedawayfromthedarkmatter(blue).NASA,ESA,CSA,STScI,CXC;ScienceJamesJeeYonseiUniversity,U.C.Davis,SangjunChaYonseiUniversity,KyleFinnerCaltechIPAC该段文字内容未涉及任何过时或敏感话题，可直接为： 两星系团在子弹星系团中发生碰撞，其中普通物质（粉色）已被从暗物质（蓝色）中剥离。
NASA、ESA、CSA、STScI、CXC；科学：JamesJee延世大学、U.C.Davis、SangjunCha延世大学、KyleFinner加州理工学院IPAC该段文字内容未涉及任何过时或敏感话题，可直接为： 两星系团在子弹星系团中发生碰撞，其中普通物质（粉色）已被从暗物质（蓝色）中剥离。
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美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、太空望远镜科学研究所（STScI）、钱德拉X射线中心（CXC）；科学团队：詹姆斯李／延世大学、加州大学戴维斯分校，车相俊／延世大学，凯尔芬纳／加州理工学院IPAC
过去几十年几乎消除了前一种可能性。
天文学家根据穿过星系团的光线因其中物质引起的微小偏折，构建引力地图。
大部分物质以巨大的、不可见的云团形式存在，叠加在我们用望远镜可见的物质之上。
这些暗物质地图证实了鲁宾的观测：这些星系的引力比它们的可见恒星和尘埃所暗示的要强五倍。
当天文学家观察到两个星系团相撞时，他们发现了一个强有力的证据，表明我们之前错误的是物质，而不是引力。
这场宇宙级的碰撞事件——子弹星系团——将每个星系团的普通物质与其暗物质晕分离开来。
气体、恒星和星系因相互作用而减速，并被搅动成炽热的湍流。
但两个幽灵般的暗物质晕却径直穿过了彼此，将其可见成分抛在身后。
倘若鲁宾所揭示的旋转曲线之谜并非源于额外的物质，而是源于引力定律本身的新形式，那么这些疾驰而过的云团中究竟包含什么？
子弹星系团几乎无法通过修正牛顿和爱因斯坦的引力理论来解释。
类似地，其他近期观测现象——例如某些星系表现出异常微弱或异常显著的赛车手问题——也难以用修改引力理论的方式统一解释：不同区域可能存在或多或少的不可见物质，但引力本身必须在各处保持一致。
即使在我们对宇宙早期物质状态最古老的观测记录——即所谓的宇宙微波背景辐射中，暗物质的影响也显而易见。
大爆炸发生后几十万年，普通物质——也就是构成粒子物理标准模型的16种基本粒子——仍处于炽热的等离子体状态，温度过高，无法在引力作用下聚集。
但观测数据显示，暗物质当时已经开始聚集成团。
所有这些证据让物理学家得出了一个简单、自洽却又令人沮丧的解释：宇宙中六分之五的物质是我们看不见的，然而正是这种物质塑造了我们所能看见的一切，并且它每时每刻都在穿过我们的身体。
但它究竟是由什么组成的呢？
幸运的是，理论物理学家们早已准备好了答案。
他们最青睐的物质理论——超对称理论——已经预言了一种尚未被发现的粒子，这种粒子的质量大约是质子的50倍，能够轻松解释鲁宾及其后续研究者记录下的每一个表面矛盾。
这些粒子完美地填补了宇宙中的这一空白，因此被称为"WIMP奇迹"。
更令人惊奇的是，我们或许能够探测到它们的存在。
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弱相互作用massive粒子（WIMPs）主要通过其集体引力与普通物质相互作用。
但这些个别粒子与标准模型也有一个微小的联系：它们可以通过弱力与标准模型的粒子相互作用。
这意味着，一个WIMP穿过一块普通物质时，通常会像幽灵一样穿过，但极少数情况下，这个幽灵会暂时变得有形——WIMP会与一个原子发生碰撞。
1985年，威腾和马克古德曼提出一个看似简单的想法：用会在被撞击时发光的原子填充一个容器，将其置于地下，以避免宇宙射线的干扰，然后等待暗物质粒子显现其身份。
这一方法看起来是合乎逻辑的下一步，与20世纪物理学家用来逐一确定标准模型中各粒子特性的方式类似。
暗物质，物理学家认为，不会与以往的谜题有太大不同，例如自旋的工作原理或质子和中子的组成。
我们将在实验室中捕获这一神秘实体，然后仔细研究其特性。
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这一方法看起来是合乎逻辑的下一步，与20世纪物理学家用来逐一确定标准模型中各粒子特性的方式类似。
暗物质，物理学家认为，不会与以往的谜题有太大不同，例如自旋的工作原理或质子和中子的组成。
我们将在实验室中捕获这一神秘实体，然后仔细研究其特性。
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我曾发表演讲，说我们将在十年内找到它，当时每个人都认为这是真的。
德克萨斯大学的理论天体物理学家凯瑟琳弗里斯说。
她与人共同撰写了一篇1986年的论文，完善了古德曼和威滕的设想，确立了直接暗物质探测作为一个研究领域。
我们当时真的深信不疑，觉得‘天哪，我们能做到’。
她说，那时我们觉得它就在眼前。
我加入这场竞争时，它已接近顶峰，距离弗里塞及其团队点燃这场竞赛已近二十年。
每年都有新的实验启动，争相覆盖弱相互作用大质量粒子质量与截面（即其幽灵般特性）可能涵盖的全部范围。
一种技术已经明显领先：填充液态氙的探测器，由哥伦比亚大学物理学家埃琳娜阿普里尔率先开发。
很难指出哪一个人更应该为我们在如此短时间内探索出大量WIMP质量参数空间负责。
她真正是让氙气应用起来的人，弗里斯说。
因此我在2015年请阿普里尔做我的博士生导师。
对我来说，暗物质是物理学最大的尴尬，我无法想象有比用科学方法解决它更重要的任务。
2019年，作者和其他物理学家关闭了将安装XENONnT实验的舱室，该实验室位于格兰萨索。
埃琳娜阿普里勒
埃琳娜阿皮雷
对这一决心的首次打击发生在近期。
我们手中掌握着迄今最灵敏实验所获得的前所未有的海量数据。
该实验旨在探测弱相互作用大质量粒子（WIMP）仍可能存在的广阔质量与相互作用截面区间。
为避免主观偏差，我们采用模拟数据进行盲分析，并构建了一套高度自动化的数据分析系统。
此刻，整个合作组成员齐聚线上会议，共同按下启动按钮，一同见证分析结果的实时呈现。
短短数秒之内，我们多年的心血化为泡影。
我永远无法忘记，当搜索结果一无所获时，图片画面中一张张面孔上瞬间涌起的失落与怅然。
当我前往意大利参与建造该实验的后续项目XENONnT时，我开始向同行们征询意见，很快便意识到弗里斯所提及的那种信心已所剩无几。
该项目本身及其众多同类实验，最终均未取得明确成果。
物理学家们正在基于理论家们对弱相互作用大质量粒子可能相互作用强度的新估算，筹划新一轮实验。
然而，最初从书桌抽屉中提出的那个奇迹已不复存在。
这些经过修改的弱相互作用大质量粒子必须通过一些尚未知的粒子，与标准模型之间联系得更加松散。
但即使这个更新后的猜测是正确的，我们也很可能永远找不到我们要寻找的东西。
我们的身体和地下探测器不断受到太阳和大气产生的数十亿中微子的轰击。
中微子的相互作用比原始的WIMP更罕见，但与或比任何在近期十年中幸存下来的WIMP版本更频繁。
它们的相互作用无法与暗物质区分开来。
氙实验已经开始了对这种不可穿透的中微子地板的观察。
但即使这个更新后的猜测是正确的，我们也很可能永远找不到我们要寻找的东西。
我们的身体和地下探测器不断受到太阳和大气产生的数十亿中微子的轰击。
中微子的相互作用比原始的WIMP更罕见，但与或比任何在近十年中幸存下来的WIMP版本更频繁。
它们的相互作用无法与暗物质区分开来。
氙实验已经开始观察到这种不可穿透的中微子地板。
因此，科学界已将关注点转向其他假说——例如轴子，这是一种自20世纪70年代末起便被理论物理学家广泛探讨的长期候选粒子；或是质量更低的弱相互作用大质量粒子（WIMPs），其信号过于微弱，难以在液态氙探测器中引发可观测的响应。
此外，人们正重新审视暗物质可能由原初黑洞构成的可能性。
这类黑洞是宇宙极早期形成的假想天体，早在20世纪70年代初便由斯蒂芬霍金等人提出理论预言。
银河系中每一颗此类黑洞的质量或许略小于月球质量，却压缩在微观尺度的空间内。
但倘若暗物质并非这些事物中的任何一种呢？倘若它除了引力之外，不通过任何其他力与我们的世界发生联系呢？在这种情况下，任何可以想象的技术都无法探测到哪怕一个暗物质粒子。
暗物质将如同一个影子世界，与我们的宇宙重叠共存，却彼此隔绝，仅通过其整体的引力牵引与我们产生关联，其中的居民对我们而言将完全不可知。
叫我天真也好，但我从未想过这种情况会发生。
科学方法的构建初衷，就是去直面、探究并最终将任何遇到的谜题纳入自身体系之中。
因此，我原本以为暗物质不过是另一个暂时的障碍。
只要给予足够的时间，我们终将像解决此前诸多难题一样，揭开它的面纱。
回顾起来，最近的这些胜利可能让我产生了误解。
20世纪的粒子物理取得了巨大的成功，斯德哥尔摩大学的哲学家西蒙阿尔岑说。
在黑板和对撞机前，我的前辈们征服并分类了一大群粒子，将其归纳为优雅而有序的标准模型。
他们期望达到五西格玛的证据标准，这意味着真正的发现被统计误差所欺骗的可能性只有几百万分之一。
也许这个标准太高了，难以维持。
这是一个黄金时代，阿尔岑说。
将我们的科学方法建立在我们以标准模型所取得的成就之上是个错误。
不能过分推崇物理学高于其他科学——毕竟正如阿尔岑所言，我们相信恐龙的存在，尽管从未在实验室中捕捉到过一只；或许暗物质的问题也没那么严重。
斯蒂萨德巴尔德马克尔，斯德哥尔摩大学的一位哲学家指出：我们已经探测到了它。
认为只有在实验室里找到才算数，这种观点对引力探测而言显得过于武断。
作者（居中）与其他科学家围在计算机屏幕前，位于格兰萨索山深处，共同关注一项关键设备测试的结果。
山下真树
山下正树
暗物质是存在的。
仅凭其引力，我们已构建了大量关于这种幽暗物质存在及其随时间演化的目录。
或许我们该接受，第二个目标——弄清楚其组成成分——可能永远无法实现。
这对物理学，尤其是粒子物理学来说将是最糟糕的情况，德巴尔德迈克尔说，但自然并不一定配合人类的意愿。
不过，我仍难以摆脱以往的训练影响。
原子由电子和核子构成，而核子则由上夸克和下夸克组成。
倘若我们永远无法弄清这种其他物质——它几乎构成了全部物质——的本质，又怎能称科学已取得成功呢？
暗物质让我开始怀疑自己对科学到底是为了什么的理解。
我以为科学是回答人类最大问题的终极场所（我们是如何来到这里的？一切事物是由什么组成的？它们又是如何结合在一起的？），因为它是唯一一个可以得到简单真实的答案的地方。
但这些答案真的正确吗？
Everytheorywe’veeverhadhastechnicallybeenwrong—animperfectapproximationofreality—andwecanbesuretheStandardModelisnodifferent.Darkmatterisjustthemostglaringofitsgaps,differentonlyindegreefromitsotherfuzzyimpressionsoftheworld,fromtheelectrontotheHiggsboson. 【
我开始觉得，这些粒子其实并不比弱相互作用大质量粒子（WIMP）更真实。
它们都只是理论构想，用以帮助我们预测将要发生的现象，就像高中物理中的力学公式能预测一个被踢出的足球会落在多远的地方一样。
我渐渐意识到，这或许正是科学的真正使命：预测未来会发生什么。
标准模型不过是那些高中方程式的升级版，是一个可靠的框架，用于告诉我们当物质在极高能量下相互碰撞时，会产生怎样的结果。
也许，人类一直以来追求的所谓终极真理——不仅是一个可靠预测世界的图景，更是一个具有深层意义的图景——从一开始就是一种过于宏大的设想。
蒂姆莫德林是纽约大学的科学哲学家，他认为我退得太远了，应该放松一点。
他指出，我们的理论或许永远无法彻底完善，但这并不意味着电子这类实体与现实毫无关联。
不过，莫德林也提醒我不要重拾过去那种过于乐观的态度，称其为一种神学式的信念。
确实可能存在根本性或实践性的限制，使我们永远无法回答某些科学问题。
我的意思是，这就是生活，朋友，他说，世界并不在乎你。
某种类似信念的东西，或许正是成为一名科学家真正所需之物，即便它并非完全理性。
事实上，我交谈过的大多数物理学家仍然相信，总有一天我们会理解暗物质。
我确实认为我们会搞明白它，弗里斯说，仅仅因为我们尚未解决某个问题，并不意味着下一代人不够聪明去弄清楚。
我的前导师阿普里尔则认为，目前只缺一次实验上的灵光闪现。
我们必须发明一种新工具。
历史上所有进步都源于伽利略发明了望远镜那样的突破，她说，总有一天，某个聪明的年轻人会找到答案。
我坚信这一点。
科学家们从未真正被预测足球落地位置的愿望所驱动。
他们是追梦者，寻求答案，寻找意义，无论是否存在，即使他们必须朝着一个渐行渐远的地平线努力。
还有别的吗——放弃？然后呢？做点别的事情？阿普里尔反问我这些问题。
我的道路从来不是一个选择。
我其实从不快乐——这就是问题所在，她说。
自从年轻时，我就想离开，我想做得更多。
Someoneoncetoldmethatthemostbeautifulthingaboutscienceishowitpointsatitsownlimitations.Maybethat’sthebeautyofdarkmatter.MaybeAprileandtheotherrestlessdreamershaveduguptheultimatelimit—onetherestofuscan’tignore. 这是一段关于科学的哲思，它提醒我们，科学的美在于直面自身的局限性。
或许，暗物质的奥秘正是这种美的体现。
也许，Aprile和其他那些怀揣梦想、不断探索的人，已经发现了那终极的极限——一个我们无法忽视的界限。
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加入讨论：人类是否永远无法理解现实的某些方面？
对暗物质的探索或许会成为科学史上最深刻的启示之一：现实之中，是否有些真理是我们人类永远无法知晓的？
相关知识（天文术语）
暗物质是一种不发光、不与电磁波相互作用的神秘物质，无法通过常规望远镜直接观测，但其存在可通过引力效应对星系旋转和宇宙大尺度结构的影响间接证实。
它约占宇宙总质量的27%，是当前天体物理学和粒子物理学研究的重要前沿课题。
BY: Joseph Howlett
FY: AI
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