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(zhì)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(chǎn)生的正反物質(zhì)是等量的，所以在正反物質(zhì)相互湮滅之后，宇宙就不應(yīng)該存在)……當(dāng)然，你還可能想到更多。不過夠了，這三個謎團(tuán)可以說是當(dāng)前宇宙學(xué)中最大的謎團(tuán);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(shù)家想象中的軸子

　　事情還得從美國理論物理學(xué)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(shè)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(fā)現(xiàn)的希格斯粒子;第二個是設(shè)想另一種假想粒子，用于解決強(qiáng)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(xué)中對稱性

　　我們通常把基本粒子分成兩類：一類是構(gòu)成物質(zhì)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(qiáng)核力的膠子等，這類粒子叫玻色子。

　　在粒子物理學(xué)中，經(jīng)常要對費米子進(jìn)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(xiàn)如何：

　　C(電荷共軛)，用對應(yīng)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(zhuǎn)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(xué)實驗中，如果對涉及的所有粒子都進(jìn)行了某個對稱性操作之后，實驗結(jié)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(xué)家還從理論上證明，電磁力應(yīng)該遵守所有這些對稱性;但強(qiáng)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?nèi)我饨M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(qiáng)核力這么“乖”?

　　現(xiàn)在，驚喜來了。

　　雖然理論上，強(qiáng)核力可以像弱核力一樣“不乖”，但在實驗上我們卻發(fā)現(xiàn)，出于某種未知的原因，強(qiáng)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(qiáng)制性的CPT。

　　這就怪了，是不是?在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，電磁力之所以“乖”，是因為有規(guī)定禁止它“不乖”;但對于強(qiáng)核力，并沒有任何禁令，而它卻表現(xiàn)得如此之“乖”!

　　對此，你當(dāng)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。”沒錯，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(shè)有什么東西在約束著強(qiáng)核力，使它沒去做“不乖”的事情。那么，是什么東西在約束著強(qiáng)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(qiáng)核力。而我們知道，任何量子場都有一種對應(yīng)的粒子，這種量子場對應(yīng)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(guān)系都沒有，據(jù)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(jù)威爾切克的計算，軸子應(yīng)該很輕，但質(zhì)量不為零，不帶電荷，而且與其他基本粒子的作用非常微弱。基于最后一點，它成了暗物質(zhì)的候選粒子之一。

　　作為暗物質(zhì)的軸子

　　產(chǎn)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(zhì)能方程E=mc2從能量中產(chǎn)生的粒子都應(yīng)該產(chǎn)生，其中就包括極輕的軸子。由于其質(zhì)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(zhì)(見小貼士：熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì))。熱暗物質(zhì)雖然無助于解釋今天困擾天文學(xué)家的星系未解體之謎，但有助于解釋宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)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(wǎng)：所有發(fā)光的物質(zhì)，如恒星、星系，位于絲狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)繩上，在它們中間，是一個個空洞。宇宙誕生之初，本來物質(zhì)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(dāng)然，已經(jīng)有別的解釋。而這里，作為熱暗物質(zhì)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(jié)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。密度大的地方引力強(qiáng)，吸引了更多的普通物質(zhì)來此聚集，因此軸子就充當(dāng)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(jīng)完成，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)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(zhì)，軸子也可能作為冷暗物質(zhì)出現(xiàn)。這就不得不談?wù)劗a(chǎn)生軸子的第二種可能途徑。

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

　　這意味著什么?這意味著恒星內(nèi)部會源源不斷地產(chǎn)生冷暗物質(zhì)!隨著時間的推移，星系中冷暗物質(zhì)的數(shù)量會不斷增加，從而使位于星系邊緣的恒星的環(huán)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(zhì)和冷暗物質(zhì)

　　我們知道，暗物質(zhì)是天文學(xué)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(zhì)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(zhì)。為什么迄今沒有探測到呢?這又是因為這種未知的物質(zhì)跟普通物質(zhì)很少發(fā)生相互作用，我們的望遠(yuǎn)鏡捕捉不到它們。這就是“暗物質(zhì)”這個概念的由來。

　　我們現(xiàn)在一提起暗物質(zhì)，一般都只說它跟普通物質(zhì)幾乎沒有相互作用(除了引力)，但你注意到?jīng)]有，要解釋星系未解體之謎，事實上還有一個要求：暗物質(zhì)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(tuán)。滿足這樣條件的暗物質(zhì)，叫冷暗物質(zhì)，而不滿足這個條件的暗物質(zhì)，叫熱暗物質(zhì)。

　　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(zhì)，因為它跟普通物質(zhì)幾乎沒有相互作用，同時又移動很快。但熱暗物質(zhì)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(zhì)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(yuǎn)距離傳播時也能轉(zhuǎn)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(xué)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(yīng)該在減速才對。可是，天文學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹的呢?對了，他們是通過觀察遙遠(yuǎn)的、起到標(biāo)準(zhǔn)燭光作用的Ia型超新星的亮度，來發(fā)現(xiàn)這一點的。他們發(fā)現(xiàn)，Ia型超新星的亮度比預(yù)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(yù)期的要遠(yuǎn)。那么，為什么它們的距離比預(yù)期的要遠(yuǎn)呢?說明宇宙膨脹比我們預(yù)期的要快，膨脹加速了。

　　這就是天文學(xué)上“暗能量”這個概念的由來。據(jù)估計，暗能量占到宇宙總質(zhì)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(zhuǎn)化的第一個條件，即在星系際空間遠(yuǎn)距離傳播時，光子可以轉(zhuǎn)化成軸子，那么暗能量之謎就很容易解釋。遙遠(yuǎn)的Ia型超新星為什么看起來比預(yù)期的要黯淡?這里沒有幕后的主謀，無非是它們發(fā)出的光中，一部分光子轉(zhuǎn)化成了軸子。所以，有了軸子，暗能量就成了“多余的假設(shè)”。

　　除了暗物質(zhì)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(zhuǎn)的，就能解釋為什么物質(zhì)會比反物質(zhì)多，從而形成了今天的宇宙。

　　暗物質(zhì)粒子的首選者

　　軸子作為暗物質(zhì)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(zhì)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(zhì)量是可以互換的，物理學(xué)家使用一個叫“電子伏特”的能量單位來衡量粒子的質(zhì)量。質(zhì)子的質(zhì)量約為10億電子伏特，電子的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的候選粒子——弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)受到實驗家的青睞。據(jù)估計，WIMP質(zhì)量比軸子大得多，大約相當(dāng)于質(zhì)子的質(zhì)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(jīng)持續(xù)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(guān)注。目前，它基本上已成為暗物質(zhì)粒子的首選。

　　如果軸子被探測到，它有可能構(gòu)成所有暗物質(zhì)，但也有可能只占暗物質(zhì)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(zhì)的成分很復(fù)雜，比如有質(zhì)子、中子、電子等等，暗物質(zhì)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(tài)。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(qiáng)磁場的誘導(dǎo)下它可以轉(zhuǎn)變成光子。如果我們能夠正確地猜測軸子的質(zhì)量范圍，一個低溫冷卻且尺寸對頭的電磁腔就能使軸子轉(zhuǎn)變成適當(dāng)頻率的光子。當(dāng)?shù)厍蚶@太陽運行并穿過銀河系時，作為暗物質(zhì)的軸子不僅會不斷地進(jìn)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(dāng)其密度足夠高時，我們就應(yīng)該能夠探測到軸子。

　　這類地面的實驗叫“軸子暗物質(zhì)實驗(ADMX)”。美國華盛頓大學(xué)的物理學(xué)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?yōu)楣庾拥妮S子，但他們已經(jīng)把軸子的質(zhì)量范圍縮小了大約5%。目前他們?nèi)栽诶^續(xù)進(jìn)行探索，可能明天就發(fā)現(xiàn)軸子也說不定。

　　1980年代，研究人員對軸子場進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光子穿過軸子場時，軸子場會與光子相互作用，導(dǎo)致光子的性質(zhì)改變。2020年，物理學(xué)家在研究普朗克衛(wèi)星對CMB的測量結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)CMB的偏振旋轉(zhuǎn)了幾度。看來，在CMB在到達(dá)普朗克衛(wèi)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(chǎn)生時空漣漪，即引力波。當(dāng)然，這種引力波是非常微弱的，相對于我們現(xiàn)在探測到的黑洞碰撞產(chǎn)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(cè)畔千帆過，病樹前頭萬木春。總而言之，在探測暗物質(zhì)方面經(jīng)歷了幾十年的挫折之后，天文學(xué)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(xiàn)形吧。