暗物質(zhì)，前面“暗”字是個形容詞，只是暫時“暗”。因?yàn)檫@種物質(zhì)我們目前為止沒辦法觀測到它，它不發(fā)光，但是將來可能有其他手段可以對暗物質(zhì)真正或進(jìn)一步的了解。
暗物質(zhì)，我們確實(shí)需要它，如果沒有它，當(dāng)前大部分理論都要進(jìn)行修改，“暗物質(zhì)理論”是最漂亮的理論，能解釋目前所有的關(guān)鍵的觀測事實(shí)。
人類花費(fèi)很多力量和投入去尋找暗物質(zhì)，它可能是下一代物理或者新物理的突破口。
在宇宙學(xué)我們已經(jīng)確定了暗物質(zhì)粒子的存在。人類正在逐步排除哪些粒子可能是暗物質(zhì)，哪些不是暗物質(zhì)，雖然有些暫時還沒無法去排除，但人類仍會花費(fèi)時間進(jìn)行排除。
根據(jù)摩爾定律，計(jì)算機(jī)的能力擴(kuò)大10倍，我們的應(yīng)用的規(guī)模也會擴(kuò)大10倍，超級計(jì)算機(jī)在天文學(xué)領(lǐng)域的使用沒有止境。
地下實(shí)驗(yàn)室（錦屏山）的探測對某些粒子候選體來說，目前可能已經(jīng)是人類的極限了，但很難判斷到哪個量級才能找到暗物質(zhì)，可能再提高2級、3級就能找到，沒人知道答案。我們能做的只有不斷提高探測極限去嘗試。
暗物質(zhì)、暗能量探測的方法基本已經(jīng)齊備，人類幾乎窮盡了所有辦法。下面是不斷提高這些方法的測量精度？還是去尋找更有效的新辦法？目前這是大家所面臨的問題。
他是誰？
由他領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)，利用中國和歐洲的超級計(jì)算機(jī)，采用一項(xiàng)全新的多重放大模擬技術(shù)，在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下，首次獲得了宇宙中全質(zhì)量尺度暗物質(zhì)暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰圖像，這一重要發(fā)現(xiàn)已于北京時間2020年9月3日凌晨在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。他就是中國科學(xué)院國家天文臺的研究員、博士生導(dǎo)師王杰。
正文：
你知道嗎？每一秒鐘都會有暗物質(zhì)穿過你的身體，它也在不斷地進(jìn)入你的五官。根據(jù)研究測算，暗物質(zhì)大約占宇宙所有物質(zhì)的84%，余下的16%則為普通物質(zhì)。
按照科學(xué)界的主流計(jì)算模型，假定暗物質(zhì)粒子為質(zhì)量100GeV（約100個質(zhì)子的質(zhì)量）的超對稱粒子，那么我們周圍暗物質(zhì)粒子的密度大約為每立方米為5000個左右。
然而，這樣一個主宰宇宙的物質(zhì)，我們卻對它知之甚少，甚至還無法觀測它，只知道它是一個確定的存在。而人類正在窮盡各種方式來捕捉暗物質(zhì)的蹤影。
比如天上負(fù)責(zé)探測暗物質(zhì)粒子的“悟空”天文衛(wèi)星；地下位于四川省錦屏山的地下2400米深的實(shí)驗(yàn)室等等。
“人類花費(fèi)了很多力量和投入去尋找暗物質(zhì)，它可能是下一代物理學(xué)或者新物理的突破口?！敝袊茖W(xué)院國家天文臺的研究員王杰如此形容研究暗物質(zhì)的重要性。
人類一旦弄清楚暗物質(zhì)的組成以及特性，不僅會拓寬人類對物質(zhì)世界的認(rèn)知，更有可能超越當(dāng)前人類所有的已知理論模型，改變?nèi)祟惖纳?，就?00年前量子力學(xué)一樣。
雖然人類尚未觀測到暗物質(zhì)粒子，但王杰帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過超級計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，看到了暗物質(zhì)在宇宙中的分布，這是人類首次揭示宇宙中從最小質(zhì)量到最大質(zhì)量的暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰圖像。
這一重要發(fā)現(xiàn)已于北京時間2020年9月3日凌晨由國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
據(jù)王杰透露，為不斷提高數(shù)值的精確度，團(tuán)隊(duì)光開發(fā)就花了5-6年的時間，只為了將再模擬中力的精確度精確到百萬分之一，目前全世界只有王杰團(tuán)隊(duì)能夠做到如此高精確度。
有了這一重大發(fā)現(xiàn)之后，王杰團(tuán)隊(duì)還將研究重子物質(zhì)對暗物質(zhì)分布影響及預(yù)測如何確定暗物質(zhì)的屬性。
以下為網(wǎng)易科技等媒體在2021未來科學(xué)大獎周期間，采訪中國科學(xué)院國家天文臺研究員王杰的部分內(nèi)容：
問題：對于暗物質(zhì)，大眾知之甚少，感覺很神秘，如果用一句話來形容暗物質(zhì)，您會怎么形容？暗物質(zhì)研究對人類來說又意味著什么？人類對宇宙的了解目前處于怎樣的狀態(tài)？
王杰：暗物質(zhì)，前面“暗”字是個形容詞，只是暫時“暗”。因?yàn)檫@種物質(zhì)我們目前為止沒辦法觀測到它，它不發(fā)光，但是將來可能有其他手段“看”到它，從而對暗物質(zhì)有進(jìn)一步的了解。
如果我們認(rèn)為暗物質(zhì)是超對稱粒子，那它與反粒子是一樣的，它們相互碰撞就會湮滅，從而發(fā)光，發(fā)出伽馬光子，這時候就可以看到它。 但是到底什么時候能“看”到暗物質(zhì)，我們不知道。
從目前理論上來說，我們離開暗物質(zhì)還真不行，我們確實(shí)需要它，因?yàn)闆]有它，當(dāng)前很多理論都需要修改。所以“暗物質(zhì)理論”是最漂亮的理論，能解釋目前大部分的關(guān)鍵事實(shí)。
所謂離不開暗物質(zhì)，如果星系里不存在暗物質(zhì)的話，那么星系的旋轉(zhuǎn)曲線就解釋不了。如果宇宙中沒有大量暗物質(zhì)存在的話，那么宇宙可能不會是現(xiàn)在加速的膨脹。所以如果沒有暗物質(zhì)，這些觀測事實(shí)都沒辦法解釋，我們需要它的存在。
對于暗物質(zhì)的研究，對人類來說意味著什么？意義就在這個“暗”字，如果我們真的能看到它，暗物質(zhì)對我們來說是一個明的東西，會有兩個重要意義：
第一，我們可以真正了解暗物質(zhì)，明確暗物質(zhì)是什么，可以拓寬我們對物質(zhì)實(shí)體的認(rèn)知，拓寬我們知識的領(lǐng)域。
第二，暗物質(zhì)可能超越當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型存在，它可能是一種完全超越我們目前所有的理論框架，就像當(dāng)年廣義相對論和量子力學(xué)誕生一樣，將人類的整個認(rèn)識提高到另一個層次。
為什么全世界都在花費(fèi)很多精力與金錢去尋找它，想看到它，想把“暗”物質(zhì)變成一個真正的“明”物質(zhì)，以上就是原因所在。
目前探測暗物質(zhì)的途徑有三個：
第一，通過大型對撞機(jī)生成。但目前能級非常有限，能級每提高10倍，大型對撞機(jī)的花費(fèi)就要翻成百上千倍左右，代價實(shí)在太高了，目前的對撞機(jī)的能級還沒有看見暗物質(zhì)粒子；
第二，間接探測。如果空間存在很多暗物質(zhì)粒子，一立方厘米里大概有10個或數(shù)10個暗物質(zhì)粒子，它們不停地穿過我們的身體。如果我們在一個沒有任何干擾的情況下，比如地下其他物質(zhì)不會穿到地下，暗物質(zhì)穿到地下實(shí)驗(yàn)室里跟物質(zhì)作用的話，就會留下作用痕跡，就可以知道暗物質(zhì)的存在。所以你會發(fā)現(xiàn)世界各地包括中國的PandaX都去地下很深層的十幾公里以下做實(shí)驗(yàn)，就為了找到暗物質(zhì)；
第三，天體物理的效應(yīng)，假設(shè)暗物質(zhì)粒子它真正能有自主相互作用，比如會湮滅，就會產(chǎn)生高能光子，甚至產(chǎn)生很多正負(fù)電子的情況下，就會有湮滅的一二級產(chǎn)物，這樣就可以通過望遠(yuǎn)鏡觀測它。地球上的暗物質(zhì)密度可能真的很低，但宇宙中有很多地方暗物質(zhì)密度非常高，那么碰撞的幾率會很大，爆發(fā)湮滅的強(qiáng)度會很強(qiáng)，就會產(chǎn)生很多東西。比如銀河系中心就比太陽系的湮滅強(qiáng)度高，所以可通過湮滅的產(chǎn)物再反推回來證明其存在。
所以，人類花費(fèi)很多力量和投入去尋找暗物質(zhì)，它可能是下一代物理學(xué)或新物理的突破口。
問題：人類對暗物質(zhì)了解到怎樣的程度呢？
王杰：從宇宙學(xué)我們已經(jīng)確定了暗物質(zhì)粒子的存在。人類正在逐步排除哪些可能是暗物質(zhì)粒子，哪些不是，雖然有些暫時還沒無法去排除，但人類仍會花費(fèi)時間進(jìn)行排除。所以，對暗物質(zhì)突破性的東西確實(shí)值得花很多時間研究。
問題：計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步對天文學(xué)來說意味著什么？
王杰：計(jì)算機(jī)界有個摩爾定律，計(jì)算機(jī)應(yīng)用到天文的時候也照樣存在摩爾定律。根據(jù)摩爾定律，計(jì)算機(jī)的能力提高10倍，我們的應(yīng)用就會大10倍，超級計(jì)算機(jī)在天文學(xué)的使用還沒有止境。
但我個人認(rèn)為，在這些應(yīng)用中，我們使用的物理模型接近了瓶頸期，如果我們對宇宙磁場、宇宙射線不太了解的話，我們可能就會受到限制，目前為止我們?nèi)孕枰売?jì)算機(jī)的協(xié)助。
問題：去年，您領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)，耗時五年，通過計(jì)算機(jī)模擬，首次獲得了暗暈內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰圖像。用計(jì)算機(jī)模擬出的虛擬宇宙是什么樣？跟真實(shí)宇宙之間有何異同？
王杰：目前我們所有的勘測手段都無法看到暗物質(zhì)在宇宙分布的更多細(xì)節(jié)。因?yàn)榘滴镔|(zhì)不發(fā)光，只能通過引力來看到，光線通過一個物質(zhì)的時候受其影響會產(chǎn)生彎曲，所以我們看到的這些都是模擬出來的，哪怕我們模擬出來的暗物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，哪個地方密度高哪個地方密度低等，其實(shí)都很難證偽的。
但是反過來講，所有的觀測都不能排除，我們模擬出來的結(jié)論表明所有暗物質(zhì)暈內(nèi)部的結(jié)構(gòu)都有一樣的形式。當(dāng)前還沒有一個明確的觀測事實(shí)能排除這一點(diǎn)。
當(dāng)人類的所有觀測手段都無法看到暗物質(zhì)的時候，那理論數(shù)值模擬可能是唯一的手段。
當(dāng)然，我們做的理論數(shù)值模擬都非常精確，在每一次模擬中，我們會改變很多條件，比如用100萬個粒子，用1000萬個粒子甚至1億個粒子做，最后形成的結(jié)構(gòu)是一樣的，必須要確定這一收斂性。模擬的參數(shù)變化時，比如改變質(zhì)量解析甚至改變時間解析，無論怎樣改動結(jié)果都必須是自洽的。
這是我們對結(jié)果有信心的原因之一，原因之二是暗物質(zhì)只受引力作用，不考慮強(qiáng)引力場或特殊情況下，牛頓力學(xué)是夠用的，我們只需要保證數(shù)值計(jì)算的精度。對于您提高的模擬，我們完成程序開發(fā)就花了5-6年的時間，就是為了將精度做到足夠高。在再模擬中將力的精度可以解析到百萬分之一以下，目前全世界能夠做到這種精度的可能也只有我們團(tuán)隊(duì)。
正是因?yàn)橐陨蟽牲c(diǎn)，我們可以確保結(jié)果是可靠的，這就是我們非常有信心的原因。
問題：目前研究或者觀測暗物質(zhì)的方式是地下實(shí)驗(yàn)室（錦屏山），但過去多年都沒有發(fā)現(xiàn)它們的“真身”，您認(rèn)為人類什么時候能捕捉到暗物質(zhì)的蹤影？
王杰：地下實(shí)驗(yàn)室（錦屏山）的探測可能快接近人類的極限了，但很難判斷到哪個量級才能找到暗物質(zhì)，有可能提高2級、3級就能找到，這沒人能知道答案。我們能做的只有強(qiáng)行提高探測極限。就像你到月球上找一個東西，用望遠(yuǎn)鏡放大十倍看不到，又放大十倍還是看不到，你也不知道要放大到多少倍才能看到。
提升探測量級需要巨額的資金，比如現(xiàn)在瑞士的質(zhì)子對撞機(jī)已經(jīng)消耗了幾百億美元了，如果你想將能力提高幾個量級，開玩笑的說，可能需要全人類不吃不喝才能實(shí)現(xiàn)。
所以，這取決于整個人類的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)力。當(dāng)人類真的愿意共同努力去干這件事，將能級提高到10-100倍或者通過其他途徑將探測能力提高10倍或者100倍，那探測的可能性會大大提高。
問題：您提到的能夠探測到暗物質(zhì)粒子的條件是什么？
王杰：我認(rèn)為現(xiàn)在人類構(gòu)建暗物質(zhì)粒子模型是靠譜的，在探討暗物質(zhì)時都有個參數(shù)空間，我們相信暗物質(zhì)處于這個參數(shù)空間，如果不是在這個參數(shù)空間，我們也不會浪費(fèi)時間去尋找它。
問題：您對這個模擬有沒有后續(xù)計(jì)劃？
王杰：有后續(xù)計(jì)劃。我們知道重子物質(zhì)在宇宙中雖然占有很小的比例，占有率不到5%，但它是有作用的。比如重子物質(zhì)有很大的能量，如果重子物質(zhì)噴發(fā)會將周圍的物質(zhì)噴發(fā)掉，會改變中間的角動量或動量場，也會對暗物質(zhì)的分布產(chǎn)生影響。所以，我們正在嘗試探索這個方向。
另外，我們還是想做更多應(yīng)用，比如我們已經(jīng)知道暗物質(zhì)暈都是長什么樣子，我們想真正預(yù)測一下怎么找到暗物質(zhì)。以前大家認(rèn)為暗物質(zhì)湮滅輻射應(yīng)該來自于很大的暗暈，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)其實(shí)很小的暗暈也貢獻(xiàn)了不小的份額。
問題：十九世紀(jì)末曾出現(xiàn)飄在物理學(xué)晴空下的“兩朵烏云”，與此類似，現(xiàn)代天文學(xué)所與物理學(xué)講的暗物質(zhì)與暗能量，是否類似十九世紀(jì)末那兩朵烏云，人類還未徹底理解它們？一旦突破會給天文學(xué)與物理學(xué)理論帶來怎樣的變革？
王杰：這個問題比較難回答，只能說一旦有了突破，而且是超越現(xiàn)在理論框架之外的，那就像當(dāng)年量子力學(xué)、廣義相對論出現(xiàn)一樣，將是這樣量級的震撼效應(yīng)。
問題：是哪些原因或機(jī)緣，讓您從碩士研究生開始，選擇專注天文學(xué)研究并以此作為主要的職業(yè)研究方向呢？
王杰：我認(rèn)為這是好奇和機(jī)會。好奇心很重要，我現(xiàn)在對很多東西都感到很好奇，好奇心會驅(qū)動你做很多事情，我覺得好奇是最根本的推動力。
第二個是機(jī)會，我當(dāng)時遇到了一個好機(jī)會，遇到了很好的老師，進(jìn)入這個領(lǐng)域的時機(jī)也還好，不算太晚，有很多有意思的課題可以做，并且還能做出一些成果，提升了自信心。
問題：那您認(rèn)為現(xiàn)在年輕人進(jìn)入天文學(xué)領(lǐng)域還是個好時機(jī)嗎？
王杰：還可以。我們認(rèn)為現(xiàn)在天體生物學(xué)方興未艾，比如我們短時間內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了很多地外行星，這些行星有沒有水，有沒有生命？都是讓人好奇的問題。
對于宇宙學(xué)，我們看到的所有物質(zhì)都在元素周期表里，這也是很神奇的事情。現(xiàn)在有rewriteword data-id="re42619" style="background-color: #ffff04">有有了引力波這一新的窗口，我們看到的世界又會不一樣。
宇宙里神奇的事情實(shí)在是太多了，還是非常值得去研究的。具體進(jìn)入哪個方向可能還需要根據(jù)時機(jī)，根據(jù)該方向目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)來確定。
