這段奇怪的宇宙「電波」，至今無人能破

出品：川陀太空

製作：香港中文大學天體物理學張博士

日本Hitomi探測器傳回的最終數據中，科學家並沒有從Perseus星系團方向再次探測到強大的X射線信號，這個結論讓許多人非常失望，因為其有可能來自暗物質。那麼暗物質與網紅理論量子力學之間能否建立聯繫呢？

川陀太空訊量子力學，這個東西講起來似乎就帶我們走向了微觀世界。印象當中似乎想要看到什麼量子力學的現象，我們都需要仔細去看，那些很小的微觀粒子，然而最近的一些研究，似乎將這個現象進一步推廣到了星系，宇宙的尺度。而在其中起到決定性作用的，就是一種全新的暗物質模型，名為超冷軸子。

宇宙大爆炸模型，到目前為止已經137億年 圖片來源:Event Chronicle.com

首先，什麼是量子效應，為什麼日常生活中我們要觀測到量子效應需要走向微觀尺度呢？量子效應是指一般宏觀世界難於察覺的，粒子更多表現為波動所展現出來的奇異性質。

比如量子隧穿效應，就是說，一般我們看一個球打到牆壁上，應該就會反彈回來。但是在量子世界中，小球以波動的形式存在，其有一定概率可以穿牆而過，看上去小球就是有了穿牆術。或者兩顆小球相碰，在宏觀世界，它們就碰撞之後互相彈飛，然而在量子世界中，它們不一定是彈飛，而是會在空間中周期性地出現，就好像兩個鬼魂互相穿過卻又戀戀不捨。

量子干涉圖像 圖片來源：nature.com

這就是量子干涉。還有許多不同尋常的現象。也就是說，粒子可以是波，波也可以是粒子，就像硬幣的兩面，同時存在，稱為波粒二象性，那麼物質的波動表現也就可以叫做物質波了。

這種波的波長，就給出了一個尺度，只有當我們觀測的尺度達到接近物質波的波長，才有明顯的量子效應。而一般粒子的物質波波長都及其小，只有一根頭髮絲的百萬分之一不到，因此宏觀世界都難以發現量子效應。

冷暗物質模型與觀測到的大尺度結構較為吻合 圖片來源：nature.com

近年來，人們猜測，暗物質會不會其實並不是想像中類似於中子，質子這樣相對比較重的粒子，而是一種其實非常輕，比質子輕三十個數量級的粒子呢？這種粒子，有很多名稱，比如叫超冷軸子，或者叫模糊暗物質，或者叫波動暗物質，總之名稱各異，性質都是類似的，就是非常輕。

我們知道，越是重的物體，它的物質波波長就越短，因此宏觀物體比如我們的人體，量子效應就非常難以觀測，而對於微觀粒子，波長相對較長，那麼只要我們有精密的實驗儀器就能看到。

但是對於超冷軸子，它的質量那麼小，波長又有多長呢？經過一定的估計，人們發現，它的物質波波長竟然和星系處於同一量級！

或者說，我們的銀河系甚至可能也就不過包裹著幾個這樣的超冷軸子的波包大小。而這些超冷軸子，由於物質波波長太長，量子效應太強，甚至從宇宙創生開始就處於一種奇異的量子物質狀態，叫做波色愛因斯坦凝聚態。

而一般我們所熟知的原子要進入波色愛因斯坦凝聚態的話，需要在實驗室里把原子降溫到接近絕對零度，這也就是為什麼我們管這種暗物質粒子超冷軸子。

既然它們的量子效應這麼明顯，那麼會不會有可能有什麼天文觀測可以證實或者證偽這種暗物質的模型呢？

為了給天文觀測提供足夠的理論預言，許多科學家就此問題進行了大量探討，並且利用超級計算機進行模擬，果然找到了一些不同尋常的結果。比如在星系中心，超冷軸子應該會形成一個以量子效應為主導的核心，在宇宙的大尺度結構上也與我們正常所討論的沒有量子效應的暗物質模型有所不同。

日本Hitomi探測器沒有發現先前異常強大的X射線信號，這為暗物質的解釋設置了更高的門檻 圖片來源：Science

只是這種差別仍然很小，可能我們以現有的手段還無法有效分辨，但是在將來更加強大的望遠鏡，更加強大的探測器支持下，我們就有可能找出究竟暗物質主要表現是沉重的經典粒子形態還是超輕的波形態。

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