暗物质“幽灵”或许已经发现，这种“幽灵”到底是不是中微子？

暗物质是未知的“幽灵”，中微子是已知的“幽灵”，这两者看起来好像风马牛不相及，但很有可能都是同一个“幽灵”！

就和电与磁一样，看起来毫不相干，其本质上却是一致的。

比如虫洞和量子纠缠可能就是同一事物，这就是ER=EPR的推论。

还譬如中微子就很有可能是暗物质。

中微子或许就是暗物质，这样的推论乍一看会给人一种风马牛不相及的感觉，但却是现代物理学一种十分合理的推论。

在现代物理学中，最大的乌云之一就是暗物质

在我上期物理学乌云系列中，我已经讲过如何利用标准模型完成大统一理论的思路。但评论区有人说，即便完成了弱电理论和强力融合的大统一理论，那纳入引力还得考虑暗物质，如果暗物质这一朵大乌云无法解决，那大统一理论就无法晋升成万有理论。

的确，暗物质是现代物理学十分棘手的问题。

首先，在这里需要纠正一种不太正确的观念，暗物质并不是一种实锤的具体物质，真正实锤是天文观测的大尺度引力作用和现有引力理论不相符的现象。

大尺度引力现象和理论不符有两个确凿的证据

第一个证据就是星系自转时，星系外侧旋转速度比理论预测的要快，如果星系内部没有额外的质量，那星系向心力就无法拉拢住外侧天体，那星系就不会是如今的形状。

第二个证据则是，在2003年，科研人员通过哈勃太空望远镜发现船底座两个星系团(子弹星系团)碰撞时，星系团产生的引力透镜十分异常，额外多出来了一种“未知”的引力透镜现象。在照片中可以发现，粉色部分是正常物质产生的引力透镜现象。

而蓝色部分的引力透镜现象是一种未知物质产生的。所以蓝色部分的引力透镜也被视为暗物质存在的直接证据。

目前关于如何解释这些引力现象与理论不符的思路有四种！

其中最为我们熟知的就是假设存在一种不参与电磁作用，只参与引力作用的物质，这种物质就是我们常说的暗物质。

还有一派则秉持着“如无必要，勿增实体”的理念。

毕竟如果贸然假设一种从未证实的物质存在，这样的风险和代价实在是太大了，比如在牛顿时代，为了让引力和超距作用自洽，引入了亚里士多德在2000多年前凭空创造的以太概念，最后甚至将整个物理学发展方向都带偏了，导致后来麦克斯韦，马赫，洛伦兹，庞加莱等人被束缚在以太的框架内，直到爱因斯坦剔除掉以太学说，狭义相对论才彻底被提出来。

所以剩下三种思路都是在不引入未知物质的前提下，解决现有引力理论和观测结果不符的矛盾。

这三种思路分别是修正引力理论，原初黑洞假说，中微子假说。

而中微子假说是目前看来，在不引入未知物质的前提下，解决暗物质乌云较为可靠的学说。

首先看一下修正引力理论，这一派认为，既然引力理论和观测现象不符，那肯定得以现象为基准，因为现象是真实存在的，是确定的，物理理论也正是基于现象而归纳出来的，所以我们可以通过不断修正引力理论使其符合现象即可。

修正引力理论缺陷上就是不断打补丁，发现一个漏洞，就修补一个，从来没有在宏观层面和底层原理上解决问题，就和超弦理论一样，不断打补丁，最后走向了无法验证的死胡同。

在应用上，修正引力理论在解释子弹星系团的引力透镜时，当统计显著性达到8σ时，修正引力理论就会失效，也就是无法再用修正引力理论解释子弹星系团的引力异常现象。

所以修正引力理论不管是在理念上，还是验证上，都很难让大部分人信服。

第二种是原初黑洞的假说，其思路十分惊奇。这是一种照着暗物质的特点硬猜的思路。

首先暗物质不参与电磁作用，所以探测器就接收不到暗物质的电磁作用，在结果上来看，人类也接收不到黑洞内部的电磁作用。即便构成黑洞的物质会参与电磁力，但是由于黑洞的逃逸速度大于光速，所以从结果上来看，黑洞和暗物质在这一点是相同的。

正常情况下，由恒星坍塌形成的大质量黑洞一般都会在周围形成吸积盘，虽然看不到黑洞，但也可以通过吸积盘直接确定黑洞的存在。所以如果要假设暗物质就是黑洞，那就得假设存在大量无法形成吸积盘的黑洞。

而这就要求黑洞的质量比较小，通过计算，这样的黑洞质量在10∧14~10∧23kg的区间。而月球质量是7.36×10∧22kg，这就要求黑洞的质量比月球质量还小，或者略大一点。而由恒星坍塌是无法形成如此小质量黑洞的。

但在宇宙演化的早期，宇宙曾经处于超高密度状态，这时候就有可能产生大量的小质量黑洞，其中在量子尺度的微黑洞早已蒸发，剩下月球质量相当的黑洞可能大量存在于宇宙中。

这些黑洞是宇宙诞生之初创造的，也叫原初黑洞。这些原初黑洞大量分布在星系之间，也无法形成吸积盘，而且霍金辐射的数量小到人类难以观测到。所以这些原初黑洞就会在星系中充当人类通过望远镜观测不到的“暗物质”。

用原初黑洞取代暗物质最大的缺陷就是，需要假设宇宙中存在数量极其庞大的原初黑洞。即便原初黑洞质量较小，但架不住数量多，人类很难发现不了这些原初黑洞的存在。所以原初黑洞，目前并不能成为解释暗物质的主流学说。

而第三种则是中微子假说，这也是目前最为靠谱解决暗物质乌云的候选理论。

事实上，物理学界关于暗物质的定义还有争议，最早我们认为暗物质是不参与强力，弱力，电磁力，只参与引力的物质。

但是只参与引力，不参与其他三种力的物质实在很抽象，而且这也会导致研究方向很难开展。试想一下，如果一种物质只有引力作用，没有其他三种力，那简直是瞎子摸象，就会完全脱离现有的标准模型框架，在标准模型的61种基本粒子中，还找不到只参与引力的粒子。而中微子假说正是一种基于标准模型框架尝试解决暗物质乌云的方式。

当然，在这里可能就有人怒喷物理学家都是饭桶，不敢打破桎梏，一味只在现有框架里解决乌云。但事实上，这明显是一种幸存者偏差，物理学史上像爱因斯坦，波尔这样打破原有规则，且成功的案例并不多，更多的是脱离现有框架而失败的理论。

所以最稳妥的方式还是基于现有标准模型的框架解决暗物质乌云，毕竟标准模型是几十年来，无数个物理学家和无数个实验共同造就的巅峰之作，也是目前最为成功的理论。

在标准模型的预言中，暗物质粒子可能只是不参与电磁力和强力，但是会参与引力和弱力的粒子。

因为这样的粒子，起码可以在标准模型中找到，这就是中微子。

现在的问题是中微子的质量极小，甚至小于电子质量的百万分之一，这就导致中微子以接近光速的速度运动。

如果中微子要算作是暗物质粒子，只能算是热暗物质。讲到这里，可能有人要问，什么是热暗物质，难道暗物质还有温度吗？

其实这里面的热冷指的不是温度，而是暗物质的运动速度。

如果暗物质运动速度在牛顿力学的框架内，也就是速度比较慢，不足以产生相对论效应，那这时的暗物质就被视为冷暗物质。我们常说的暗物质指的正是运动速度比较慢的冷暗物质。

如果暗物质的速度达到光速的10%左右，就足以产生相对论效应，这时的暗物质就是温暗物质。

而如果暗物质的速度接近光速，那这时的暗物质就是热暗物质。

目前中微子就是热暗物质的候选粒子。

而宇宙中大部分暗物质可能都是冷暗物质。这些冷暗物质也可能是中微子吗？

目前来说，这是有可能的。

如果中微子要成为构成冷暗物质的基本粒子，那就要求中微子的运动速度比较慢，这就要求中微子的质量增大。根据狭义相对论，粒子的静止质量越大，其速度上限就越小。所以要想让中微子成为冷暗物质粒子，就得让中微子慢下来，也就是让中微子质量增加。

而关于中微子质量来源，仍然是另一朵乌云。

看过我上期标准模型视频的小朋友们就会对希格斯机制有所了解。

在标准模型的预言中，中微子的静止质量为0，因为在标准模型中，只纳入了希格斯粒子，粒子即是量子场，所以希格斯粒子代表的希格斯场会赋予除中微子以外所有费米子以质量。

标准模型只允许基本粒子通过希格斯机制获得质量，暂时还没有第二种质量赋予机制。

上期内容我已经详细讲过，希格斯场具有能量是因为其对称性破缺。只要对称性破缺就会激发出质量。

在费米子中，除了中微子家族，其他粒子都具有手性对称性。而手性对称如果遭到翻转，这些粒子就会获得质量。希格斯机制就是通过不断翻转费米子的手性对称，才使其费米子获得了质量。

比如，左手性电子通过希格斯机制被翻转成右手性电子，从而就获得了能量，而能量又等价于质量，从而获得质量。费米子的手性翻转在希格斯机制下持续进行，翻转速度越快，获得的质量越大。

但是中微子不存在手性对称，因为中微子只有左手性，不存在右手性中微子，希格斯机制无法翻转中微子手性，所以中微子无法通过希格斯机制获得质量。

由于左手性中微子都是通过弱力产生的。所以假设存在既有左手性也有右手性中微子，那它一定不会参与弱力。

所以左右手性中微子就是一种仅参与引力，但不参与弱力，强力和电磁力的粒子，参与的基本力越少，性质就越稳定，就和惰性气体一样，所以左右手性中微子在某种情况下也被称为惰性中微子。

在一些科普中，会将右手性中微子等同于惰性中微子，这种观点其实具有歧义。现在最新观点认为如果中微子具有右手性，那也是具有左手性的。

惰性中微子是具有左右手性对称的。所以惰性中微子可能就会通过希格斯机制获得质量，那么它的质量就会比普通中微子质量大，所以运动速度就比较慢。是温暗物质粒子最佳的候选者。

在早期，标准模型预言中微子静止质量为0。

但是静止质量为0的中微子就意味着中微子的速度为光速。在2011年，欧洲核子中心测量中微子的速度时，还闹出过乌龙，当时还宣称中微子超光速运动。

物理学大厦在2011年还差一点点坍塌了。当然，后来修正了实验结果，中微子的速度略低于光速。这就意味着中微子具有静止质量。

那中微子的静止质量到底是怎么来的，如果能搞清楚这一点，那或许就可能发现大质量中微子，这样一来，冷暗物质粒子可能就会被彻底发现。暗物质乌云就有可能被突破。

现在我们只能知道中微子只有左手性，不能通过希格斯机制获得质量，它的质量则来自另外一种机制，这就是中微子振荡，那什么又是中微子振荡呢？

在经典的标准模型图中，我们会发现有三种中微子，分别是电中微子，μ中微子和τ中微子。这三种中微子的质量依次增大。

分别对应三种不同的味。就和夸克的味一样。“味”并不是所谓的味道，而是一种量子数。

这三种中微子的味，会不断变化。也就是电中微子会变成μ中微子，μ中微子变成τ中微子，τ中微子又变成电中微子。这种变化无时无刻都在进行。

中微子不断发生“味”变，变化就意味着中微子经历了时间，如果没有经历时间，那中微子就不可能发生变化。而一个粒子如果经历了时间，就意味着它必须低于光速，因为光速运动的粒子不会经历时间，也不会有变化。

你看光子以光速运动，其实光子本身并没有经历时间，数十亿光年外的光子抵达地球，其时间为0，出发即抵达，宇宙诞生之初的光子如果一直在宇宙中飞行，直到宇宙毁灭。那对于光子来说，经历的时间也为0，宇宙诞生即宇宙毁灭。

所以中微子“味”的变化就意味着中微子经历了时间，速度必然低于光速，而低于光速其静止质量也必然大于0。这就是中微子的质量来源。

但是中微子会处于“味”和质量的叠加态。

就和不确定性原理一样，当我们得知中微子精确的质量(质量本征态)，它的味道就是混合的(味叠加态)，也就是这中微子处于电谬陶的混合状态。当我们得知中微子精确的“味”(味本征态)，也就是具体是哪一种中微子时，这时候它的质量就是混合的(质量叠加态)。

所以在标准模型中，中微子不像其他费米子有精确的质量，每一种中微子的质量只能取一定的范围。

中微子“味”在不断变化，经历了时间，从而获得了质量，这就是中微子振荡。

类比其他费米子手性翻转获得质量是通过希格斯机制来实现的，我们有理由相信，中微子“味变”的是通过另一种类似希格斯机制的现象而实现的。

如果能搞清楚赋予中微子“味变”的机制，那么到时候就有可能寻找到大质量中微子，也就是只参与弱力和引力的大质量中微子。

由于大质量中微子不参与电磁力，所以我们无法直接探测到，而且它们也不参与强力，所以也无法和普通物质发生作用而构成复合粒子。但是由于它们具有较大的质量，在引力的作用下，它们就会聚合成团状物质。但它们又具有一定的速度，所以并不会形成规则的球体。而更多表现成不规则的团状形态。这就和冷暗物质的引力分布造成的不规则“形状”极为相似。

所以大质量中微子就很有可能是冷暗物质的候选粒子。

最后总结一下，暗物质按照运动速度可以划分为热，温，冷三种暗物质。

常见的中微子质量十分小，运动速度接近光速，被视为是热暗物质的理想粒子。

惰性中微子质量比较大，速度无法接近光速，但是也足以产生相对论效应，是温暗物质的候选粒子。

而大质量中微子质量相对而言最大，速度比较慢，是冷暗物质的候选粒子。当然大质量中微子目前仅仅只是猜测，是证据最为匮乏的一种推理。

现在热门的冷暗物质粒子是大质量弱相互作用粒子，比如四种不带电荷的超中性子，它们和中微子很像，都不带电荷，所以都不参与电磁力。

其中最轻的超中性子可能就是冷暗物质粒子。至于超中性子是不是大质量中微子，或者和中微子有什么关系，目前还不太清楚。

从普通中微子到惰性中微子再到大质量中微子，越往后，其猜想越缺乏证据。所以暗物质依旧是物理学天空中难以驱散的乌云。

最后还是那句话，已知圈越大，未知圈就更大！