这段奇怪的宇宙“电波”，至今无人能破

日本Hitomi探测器传回的最终数据中，科学家并没有从Perseus星系团方向再次探测到强大的X射线信号，这个结论让许多人非常失望，因为其有可能来自暗物质。那么暗物质与网红理论量子力学之间能否建立联系呢？...



出品：川陀太空

制作：香港中文大学天体物理学张博士

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日本Hitomi探测器传回的最终数据中，科学家并没有从Perseus星系团方向再次探测到强大的X射线信号，这个结论让许多人非常失望，因为其有可能来自暗物质。那么暗物质与网红理论量子力学之间能否建立联系呢？

川陀太空讯  量子力学，这个东西讲起来似乎就带我们走向了微观世界。印象当中似乎想要看到什么量子力学的现象，我们都需要仔细去看，那些很小的微观粒子，然而最近的一些研究，似乎将这个现象进一步推广到了星系，宇宙的尺度。而在其中起到决定性作用的，就是一种全新的暗物质模型，名为超冷轴子。

首先，什么是量子效应，为什么日常生活中我们要观测到量子效应需要走向微观尺度呢？量子效应是指一般宏观世界难于察觉的，粒子更多表现为波动所展现出来的奇异性质。

比如量子隧穿效应，就是说，一般我们看一个球打到墙壁上，应该就会反弹回来。但是在量子世界中，小球以波动的形式存在，其有一定概率可以穿墙而过，看上去小球就是有了穿墙术。或者两颗小球相碰，在宏观世界，它们就碰撞之后互相弹飞，然而在量子世界中，它们不一定是弹飞，而是会在空间中周期性地出现，就好像两个鬼魂互相穿过却又恋恋不舍。这就是量子干涉。还有许多不同寻常的现象。也就是说，粒子可以是波，波也可以是粒子，就像硬币的两面，同时存在，称为波粒二象性，那么物质的波动表现也就可以叫做物质波了。

这种波的波长，就给出了一个尺度，只有当我们观测的尺度达到接近物质波的波长，才有明显的量子效应。而一般粒子的物质波波长都及其小，只有一根头发丝的百万分之一不到，因此宏观世界都难以发现量子效应。近年来，人们猜测，暗物质会不会其实并不是想象中类似于中子，质子这样相对比较重的粒子，而是一种其实非常轻，比质子轻三十个数量级的粒子呢？这种粒子，有很多名称，比如叫超冷轴子，或者叫模糊暗物质，或者叫波动暗物质，总之名称各异，性质都是类似的，就是非常轻。

我们知道，越是重的物体，它的物质波波长就越短，因此宏观物体比如我们的人体，量子效应就非常难以观测，而对于微观粒子，波长相对较长，那么只要我们有精密的实验仪器就能看到。但是对于超冷轴子，它的质量那么小，波长又有多长呢？经过一定的估计，人们发现，它的物质波波长竟然和星系处于同一量级！

或者说，我们的银河系甚至可能也就不过包裹着几个这样的超冷轴子的波包大小。而这些超冷轴子，由于物质波波长太长，量子效应太强，甚至从宇宙创生开始就处于一种奇异的量子物质状态，叫做波色爱因斯坦凝聚态。而一般我们所熟知的原子要进入波色爱因斯坦凝聚态的话，需要在实验室里把原子降温到接近绝对零度，这也就是为什么我们管这种暗物质粒子超冷轴子。

既然它们的量子效应这么明显，那么会不会有可能有什么天文观测可以证实或者证伪这种暗物质的模型呢？为了给天文观测提供足够的理论预言，许多科学家就此问题进行了大量探讨，并且利用超级计算机进行模拟，果然找到了一些不同寻常的结果。比如在星系中心，超冷轴子应该会形成一个以量子效应为主导的核心，在宇宙的大尺度结构上也与我们正常所讨论的没有量子效应的暗物质模型有所不同。

只是这种差别仍然很小，可能我们以现有的手段还无法有效分辨，但是在将来更加强大的望远镜，更加强大的探测器支持下，我们就有可能找出究竟暗物质主要表现是沉重的经典粒子形态还是超轻的波形态。



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