轴子：解开宇宙终极之谜

　　说起宇宙未解之谜，你能想到哪些呢?暗物质之谜，是一个;暗能量之谜，又是一个;再有，就是宇宙为什么会存在(因为在大爆炸之初，宇宙中产生的正反物质是等量的，所以在正反物质相互湮灭之后，宇宙就不应该存在)……当然，你还可能想到更多。不过够了，这三个谜团可以说是当前宇宙学中最大的谜团;而一种假想粒子，可以一揽子解开这三个难题。一箭三雕(其实还不止呢)，厉害了吧。

艺术家想象中的轴子

　　事情还得从美国理论物理学家弗兰克·威尔切克1977年的一次散步说起。在那次散步中，他萌生了两个灵感。第一个是设想一种假想的粒子如何与其他粒子相互作用，这种假想粒子就是后来被发现的希格斯粒子;第二个是设想另一种假想粒子，用于解决强核力中的对称性问题，而这种假想的粒子，就是我们今天要谈的轴子。

粒子物理学中对称性

　　我们通常把基本粒子分成两类：一类是构成物质的粒子，比如夸克、电子等，这类粒子叫费米子;另一类是传递相互作用的粒子，如传递电磁力的光子、传递强核力的胶子等，这类粒子叫玻色子。

　　在粒子物理学中，经常要对费米子进行如下三种对称性操作，以便看看在这些操作以及多个操作的组合下，其相互作用力表现如何：

　　C(电荷共轭)，用对应的反粒子取代每个粒子;

　　P(宇称)，它将每个粒子替换成其镜像中的粒子，例如原本向左运动的，替换之后就是向右运动的;

　　T(时间反演)，把时间翻转反个号，例如射出的粒子，时间反演后就变成射入的粒子;

　　在一个粒子物理学实验中，如果对涉及的所有粒子都进行了某个对称性操作之后，实验结果保持不变，我们就说这个实验所涉及的相互作用力对于这个操作是对称的。反之，就说对称性破缺了。

　　物理学家还从理论上证明，电磁力应该遵守所有这些对称性;但强核力和弱核力可以违反其中任何一个或两个组合的对称性，只是三个组合在一起的对称性(即CPT对称性)不能违反。

　　从实验上看，电磁力确实满足C、P和T对称性，以及它们任意组合的对称性，如CP、CT、PT以及CPT对称性。同样，弱核力确实不仅违反了任何一个单独的对称性，也违反了CP、CT和PT这些两个组合在一起的对称性;只有CPT对称性它才没有违反。

　　是什么东西让强核力这么“乖”?

　　现在，惊喜来了。

　　虽然理论上，强核力可以像弱核力一样“不乖”，但在实验上我们却发现，出于某种未知的原因，强核力始终“很乖”，什么对称性它都没有违反：无论是单独的C、P、T对称性，还是每一种可能的组合CP、CT和PT，更不用说强制性的CPT。

　　这就怪了，是不是?在粒子物理学的标准模型中，电磁力之所以“乖”，是因为有规定禁止它“不乖”;但对于强核力，并没有任何禁令，而它却表现得如此之“乖”!

　　对此，你当然可以简单地断言：“好吧，我们也不知道为什么，宇宙可能就是这样的。毕竟，没一条‘法律’说‘乖’是犯法的呀。”没错，这可作为一种解释，但总不那么让人信服。

　　另一种解决办法是，假设有什么东西在约束着强核力，使它没去做“不乖”的事情。那么，是什么东西在约束着强核力呢?这正是威尔切克1977年的那次散步中想到的：假如存在一个新的量子场，也许正是该场约束了强核力。而我们知道，任何量子场都有一种对应的粒子，这种量子场对应的新粒子，就被他命名为“轴子”。不过，这个名字跟通常意义上的“轴”一点关系都没有，据说取自威尔切克在逛超市时看到的一款清洁剂的名字。

　　根据威尔切克的计算，轴子应该很轻，但质量不为零，不带电荷，而且与其他基本粒子的作用非常微弱。基于最后一点，它成了暗物质的候选粒子之一。

　　作为暗物质的轴子

　　产生轴子的可能途径之一是在大爆炸的最初阶段。在这一时期，宇宙的能量、温度和密度都非常高，所有可以通过爱因斯坦的质能方程E=mc2从能量中产生的粒子都应该产生，其中就包括极轻的轴子。由于其质量极轻，即使在今天，它们的运动速度仍然非常快。这意味着它们可以作为一种热暗物质(见小贴士：热暗物质和冷暗物质)。热暗物质虽然无助于解释今天困扰天文学家的星系未解体之谜，但有助于解释宇宙的大尺度结构是如何形成的。

　　我们知道，从大尺度上来看，宇宙就像一张丝状的大网：所有发光的物质，如恒星、星系，位于丝状结构的网绳上，在它们中间，是一个个空洞。宇宙诞生之初，本来物质分布是非常均匀的，为何会演化成这副模样?这一直有待解释——当然，已经有别的解释。而这里，作为热暗物质的轴子，可以提供另一种解释。

　　在宇宙的早期，虽然轴子运动很快，但轴子场始终在振荡之中。振荡的结果是，有些地方轴子的密度大一些，有些地方轴子的密度小一些，在整个宇宙空间形成疏密不等的网状结构。密度大的地方引力强，吸引了更多的普通物质来此聚集，因此轴子就充当了宇宙“脚手架”的作用。此后，就算“脚手架”拆了，但“建造”的工作已经完成，宇宙大尺度结构的雏形被保留下来，后来逐渐演化成我们今天看到的这个模样。

　　不过，除了热暗物质，轴子也可能作为冷暗物质出现。这就不得不谈谈产生轴子的第二种可能途径。

　　鉴于轴子是静止质量不为零的粒子中最轻的(而光子的静止质量为零)，根据某些理论预言，在适当条件下，轴子和光子可以相互转化。这些条件包括：光子在星系际空间远距离传播时;在中子星的强磁场中;在质量足够大的恒星中心。而在最后一种条件下产生的轴子，速度可以很慢，可以永久存在于恒星的内核中。

　　这意味着什么?这意味着恒星内部会源源不断地产生冷暗物质!随着时间的推移，星系中冷暗物质的数量会不断增加，从而使位于星系边缘的恒星的环绕速度不断加快。瞧，星系未解体之谜不就解决了吗?

　【小贴士】热暗物质和冷暗物质

　　我们知道，暗物质是天文学家为了解释星系未解体之谜，即“位于星系边缘的恒星运动得那么快，为什么没有飞离星系”这个问题提出来的。因为位于星系边缘的恒星运动那么快，可是整个星系中可观测物质的引力都不足以为它提供高速运动所需的向心力，所以一个很自然的猜测是，星系中心必定盘踞着很大一部分我们迄今没有探测到的物质。为什么迄今没有探测到呢?这又是因为这种未知的物质跟普通物质很少发生相互作用，我们的望远镜捕捉不到它们。这就是“暗物质”这个概念的由来。

　　我们现在一提起暗物质，一般都只说它跟普通物质几乎没有相互作用(除了引力)，但你注意到没有，要解释星系未解体之谜，事实上还有一个要求：暗物质需要长期盘踞在星系中心。这意味着它或者静止，或者移动速度很慢，保证能够聚集成团。满足这样条件的暗物质，叫冷暗物质，而不满足这个条件的暗物质，叫热暗物质。

　　事实上，在已知的基本粒子中，中微子从某种程度上就是一种热暗物质，因为它跟普通物质几乎没有相互作用，同时又移动很快。但热暗物质无助于解释星系未解体之谜。正是有鉴于此，有人提出或许存在一种移动很慢的未知中微子(惰性中微子)，它可作为暗物质的候选粒子。

作为暗能量的轴子

　　更有趣的是，如果光子在星系际空间远距离传播时也能转化成轴子，那么轴子甚至可以解释暗能量之谜!

　　我们不妨先回忆一下“暗能量”这个概念天文学上是怎么提出来的。

　　我们知道，宇宙起源于一场大爆炸，所以至今一直都在膨胀。对于这一点，谁都没有异议。不过，考虑到自大爆炸之后，由于在宇宙尺度上起作用的只有引力，而引力是一种让万物吸聚在一起的力，因此宇宙的膨胀应该在减速才对。可是，天文学家却发现，宇宙的膨胀非但没有减速，反而在加速。于是，他们猜测，一定是什么东西在给宇宙膨胀加速。这种未知的东西被命名为“暗能量”。

　　那么，他们又是怎么发现宇宙在加速膨胀的呢?对了，他们是通过观察遥远的、起到标准烛光作用的Ia型超新星的亮度，来发现这一点的。他们发现，Ia型超新星的亮度比预期的要暗，由于这类超新星的真实亮度是固定的，这意味着它们的距离比我们预期的要远。那么，为什么它们的距离比预期的要远呢?说明宇宙膨胀比我们预期的要快，膨胀加速了。

　　这就是天文学上“暗能量”这个概念的由来。据估计，暗能量占到宇宙总质量-能量的68%左右，但我们至今对它到底是什么东西一无所知。

　　但是，如果按前面光子和轴子相互转化的第一个条件，即在星系际空间远距离传播时，光子可以转化成轴子，那么暗能量之谜就很容易解释。遥远的Ia型超新星为什么看起来比预期的要黯淡?这里没有幕后的主谋，无非是它们发出的光中，一部分光子转化成了轴子。所以，有了轴子，暗能量就成了“多余的假设”。

　　除了暗物质和暗能量之外，轴子还能解释为什么会有宇宙存在。有人提出，如果宇宙诞生之初轴子场是朝着一个方向旋转的，就能解释为什么物质会比反物质多，从而形成了今天的宇宙。

　　暗物质粒子的首选者

　　轴子作为暗物质的候选粒子，其实早在1983年就提出来了，但一直没有得到实验家的重视。主要原因是它们的质量范围太大，若不缩小范围，寻找它们就犹如大海捞针一样渺茫。由于能量和质量是可以互换的，物理学家使用一个叫“电子伏特”的能量单位来衡量粒子的质量。质子的质量约为10亿电子伏特，电子的质量约为51.1万电子伏特，目前基本粒子中除光子外最轻的粒子——中微子的质量，其上限是0.8电子伏特，而最重的轴子可能只有1电子伏特的百分之一，最轻可以低至1电子伏特的万亿分之一。由于轴子的质量范围如此之大，没有人知道该从哪里入手。

　　与此同时，另一种暗物质的候选粒子——弱相互作用大质量粒子(WIMP)受到实验家的青睐。据估计，WIMP质量比轴子大得多，大约相当于质子的质量，这意味着寻找WIMP的实验更容易开展。但是，寻找WIMP的工作已经持续几十年了，至今仍一无所获。于是，最近几年，轴子得到了越来越多的关注。目前，它基本上已成为暗物质粒子的首选。

　　如果轴子被探测到，它有可能构成所有暗物质，但也有可能只占暗物质的一小部分，其余的是其他候选者——比如WIMP以及大爆炸遗留下来的原始黑洞。普通物质的成分很复杂，比如有质子、中子、电子等等，暗物质也没有理由只能是一种东西。

　　轴子本身可能也不会只有一种形态。如果存在一种轴子，那么很可能存在一系列轴子，从超轻到相对较重的，每种轴子适用于解决不同的问题。

　　如何探测轴子?

　　上面说了这么多，但探测不到，一切都白搭。探测轴子主要依赖于它的电磁特性，即在强磁场的诱导下它可以转变成光子。如果我们能够正确地猜测轴子的质量范围，一个低温冷却且尺寸对头的电磁腔就能使轴子转变成适当频率的光子。当地球绕太阳运行并穿过银河系时，作为暗物质的轴子不仅会不断地进出这个电磁腔，而且里面轴子的密度也会随着我们在银河系中的运动而改变，当其密度足够高时，我们就应该能够探测到轴子。

　　这类地面的实验叫“轴子暗物质实验(ADMX)”。美国华盛顿大学的物理学家自1996年以来一直在开展这方面的实验。虽然迄今没有捕捉衰变为光子的轴子，但他们已经把轴子的质量范围缩小了大约5%。目前他们仍在继续进行探索，可能明天就发现轴子也说不定。

　　1980年代，研究人员对轴子场进行了研究，发现当光子穿过轴子场时，轴子场会与光子相互作用，导致光子的性质改变。2020年，物理学家在研究普朗克卫星对CMB的测量结果时，发现了一些耐人寻味的东西。他们观察到一种叫做“偏振”的特性，发现CMB的偏振旋转了几度。看来，在CMB在到达普朗克卫星的过程中，似乎有什么东西干扰了它们。他们猜测，CMB可能在传播过程中穿过了轴子场。

　　此外，我们前面说过，在宇宙的早期，轴子场处于振荡之中，这种振荡可能会产生时空涟漪，即引力波。当然，这种引力波是非常微弱的，相对于我们现在探测到的黑洞碰撞产生的引力波，只能算是一种背景。

　　2023年6月，对脉冲星的测量在实验上首次表明，宇宙中确实存在着引力波背景。虽然引力波背景的来源可能不止一个，但探测它们可以帮助我们缩小轴子的潜在范围。

　　沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春。总而言之，在探测暗物质方面经历了几十年的挫折之后，天文学家对于探测轴子的热情最近高涨起来。

　　前面说过，“轴子”这个名字最初来自一款清洁剂。如果轴子真的存在，它就能无愧于这个名字，为宇宙清理掉一大堆乱七八糟的东西。但愿它早日现形吧。