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比宇宙更浩瀚的是人类的探索欲望|名师专访：夏千里

萌宠菠菠乐园
2024-10-23 22:12

当大家都觉得《Interstella》中的星际穿越是脑洞大开、不可思议的时候，霍金上个月发表的演讲中已经明确人类这一代将实现移民至其他星球和进一步探索宇宙的可能，我国的天文发现为人类宇宙探索又向前迈了一大步。

——夏千里老师

夏千里

2009年取得A-Level 4A(旧版), STEP II, III取得SS

2009-2013 剑桥Peterhouse College 数学&天文物理专业

2013-2014 伦敦EY工作

2014至今从事宇宙学研究，曾于ApJ,MNRAS发表科研文章

2017年前往爱丁堡大学继续攻读博士

授课科目：数学 | STEP | MAT

走进暗物质

“悟空”的发现，中国天文彻底火了

北京时间2017年11月30日凌晨2点（就在刚刚），《自然》杂志首次在线发表中科院暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）的探测成果：“悟空”卫星的科研人员成功获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。

而其中的数据表明，宇宙空间中存在着“质量为1.4万亿电子伏左右的新物理粒子”。科学家推测，它可能就是人们长期以来寻找的暗物质！这是继2015年12月17日 “悟空号”成功发射以来，中国人第一次用自己的卫星，在全世界首次可能发现了暗物质。

暗物质到底是什么？

暗物质 (Dark Matter)，是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质，比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质和暗能量是影响当今量子粒子物理和天体物理的“两片乌云”，暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中96%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到（约4.9%）。天文观测和膨胀宇宙论研究表明：宇宙的密度可能由约68.3%的暗能量，4.9%的重子物质，26.8%暗物质组成。

说了半天，既然是看不见摸不着的东西，那为什么我们还那么确信他存在呢？可能第一个发现暗物质存在的证据，是在上世纪70年代中旬的一篇文章，当时这位科学家(Vera Rubin)第一次通过测量旋涡星系的旋转曲线，惊讶的发现，这些星系的旋转曲线在远端依然很平，这个是什么意思呢？我们可以做个简单的推导，假设星系外围的恒星的旋转速度是v, 而且维持圆周运动的加速度只有来自星系的引力，那么

推理可得旋转速度v

也就是在远端速度应该是会迅速下降的。这意味着，若要维持观测到的旋转速度，星系需要提供更多的引力来支持恒星围绕其旋转。这一发现非常轰动（虽然刚发表时大家都不相信，直到后来有更多的证据证实），它说明银河系当中存在大量我们没有观测到的物质。

更多的疑团与解答

科学家们对这一发现非常的疑惑，因为在标准模型当中，所有的粒子都会或多或少的发生碰撞，释放可观测到的能量。在标准模型下，具有这样特性例子几乎没有，而且观测已经表明，中微子并不能提供足够的宇宙中需要的质量。科学家们只能希望在拓展的标准模型中能够找到暗物质粒子的候选者，"大质量弱相互作用粒子"。

当然，也有不少科学家认为不存在暗物质，肯定是公式哪里写错了。他们认为爱因斯坦的广义相对论在太阳系内有的了很好的验证，但是在更大的维度，比如银河系维度上，需要得到修正。这也促使了很多科学家去开展了一条新的研究道路叫做修改引力(MOND)。他们认为在银河系这样的大尺度上，引力互相作用的产生的加速度，需要额外加上1个常数，而且是直接在牛顿的动力学公式上进行的修改。这个理论倒是很好地拟合的银河系旋转的曲线，而且不需要暗物质。修改引力可以说是科学家对于这种看不见摸不着东西的畏惧而想出的用来圆场的理论。

但是在本世纪初，这个理论受到了观测数据的挑战。这就是著名的子弹星云(Bullet Cluster)。这个在1998年被发现的星系团并合事件，在2006年被三位科学家。用三种不同的方法测量了。他们观测到两个星系团互相碰撞过程中产生的高能X射线。当这两团巨大质量的星系团互相碰撞，里面大量的热气体在碰撞的时候各种碰撞，最后留了一大团在中间，同时释放出大量的X射线。这是我们在A-Level物理知识中也可以理解的，通过粒子之间互相碰撞产生的高能射线。所以通过观察X射线和星系的位置，我们可以判断出在碰撞的时候重子物质的分布。

更有趣的是，由于在大质量星系团附近的引力势非常强，这使得背景星系的光线经过此处区域的时候会发生偏折。这种光线由于经过引力势发生偏折的效应我们称之为引力透镜(Gravitational lens effect)，因为它像极了光线透过酒杯时产生的折射。通过引力透镜理论的分析，科学家们可以重构出星系团附近的总质量分布。

出乎意料的是，重构出的质量分布显示大部分的质量都集中在两个孤立的峰区，和X射线区域有很大的偏差。

这个现象却可以被暗物质非常好地解释。

因为在两个星系团相碰撞的时候，暗物质是不会发生碰撞的（"大质量弱相互作用粒子"），所以当星系团碰撞的时候，暗物质会完全穿过的彼此，所以质量分布，就像两个山峰一样。完美的交错开了。这个实验让人们再次确信了，暗物质的存在。也让大家又踏上了寻找暗物质的旅程。

对于理论物理学家来说，暗物质的引入已经挑战了标准模型，经典的量子物理理论，大型粒子对撞机也频繁的展开过实验，希望能够探测到暗物质粒子。不过一个由纯物质占领的一个宇宙，由于万有引力，他的命运，必定是将坍塌到基点，也是非常著名Big Crunch模型。但正如诺贝尔奖得主在上世纪90年代发现的，宇宙实际上是在加速地膨胀，这就意味着我们的宇宙中存在着某种额外的能量使宇宙中的万物远离彼此。这就是可能比暗物质还琢磨不透的暗能量了。目前的观测结果，比如宇宙微波辐射背景以及标准烛光对宇宙学距离的测量，都显示我们，所生活在的宇宙是一个“Lambda-冷暗物质“宇宙（冷暗物质是有区别于温暗物质，冷暗物质不会发生碰撞）。所以我们发现当我们想解释整个宇宙的时候，不光我们的公式中多跑出来暗物质，还多出了一项暗能量，这仿佛意味着我们对宇宙的理论描述有很多的不足，也使得理解暗能量和暗物质，成为当今宇宙学研究的重点。

我的研究方向

我的研究方向是用弱引力透镜为探针的宇宙学。简单的说就是我们不去直接寻找暗物质，而是我们利用光线经过物质场弯曲的事实，借助暗物质来做宇宙学的研究。如之前的研究表明，宇宙中有70%以上的物质是暗物质，这么多的暗物质，会产生非常强的引力透镜的效果。例如刚才说的两个星系团的碰撞，这种尺度上，当质量非常的密集，光线的弯曲很明显（比如多重影像、爱因斯坦十字），所以我们把它归为强透镜的范畴。但是在宇宙大尺度上产生的，稍微微小的光线的偏折，可以通过统计的方法获取大尺度上暗物质的结构的信息，我们把这一类的引力透镜效应和工具归为弱引力透镜的范畴。

由于弱引力透镜，对宇宙大尺度结构的敏感性，它可以有效地被用来测量宇宙学参数，比如暗物质和重子物质的比例，以及暗能量所占的比例。他也是为数不多可以和其他的宇宙学探针，破简并的一个宇宙学观测量，从而更好的限制宇宙学参数，探测宇宙的大维度环境。

最后谈一下我的天文情怀。随着世界上各大巡天项目的开展（SKA，KIDS，DES，LSST，EUCLID等），宇宙学的研究已经步入了精确的时代。这意味着随着误差棒的减小，我们可能很快就会理解暗物质的本体；也意味着很多不同宇宙学的参数将被很好地限定，以及宇宙尺度上的引力理论得到更好的理解。可能，这也有助于我们在将来的某一天，发现一个不需要暗物质暗能量的解释，精准的宇宙模型。

为何选择数学系毕业后研究天文物理

这要从本科说起。在大三的宇宙学课上，我第一次得知暗物质的存在。这非常令我兴奋，因为人类已知的自然规律并不能解释暗物质，也让它成为现代物理必须解决的问题之一。想着未来的某一天自己能用所学到的数学和对大自然的理解，奋斗在世界难题的科研前沿；想着未来的某一刻，我们会发现暗物质，又或许我们会发现爱因斯坦广义相对论里遗漏的那部分，开辟新的物理理论…向往着理解宇宙，我也坚定地踏上了宇宙学研究的道路。

如何看待剑桥的教学方式与氛围

在申请剑桥大学之前，就听说这所学校非常重视培养学生的research ability，(所以在自己的Personal Statement里也详述了若干research experience)。而真正进入剑桥大学数学系后，我才慢慢体会到他们在学生身上的培养。

比如，每周都会进行的supervision，就是两个学生和一个导师的交流，这像极了做研究的时候和导师探讨课题，为了准备好每次的见面，不光要尽可能把lecturer出的题目都做完，也都会提前把学科的问题梳理出来，充分利用好一个小时的见面时间。

剑桥数学系的Lecturer讲课的速度是非常快的，第一节课会提及对课程有帮助的参考书籍，而等你意识到10周的课程快结束的时候，几本不同的参考书里的内容都已经被cover了。这样的上课速度意味着基本上每次Lecture结束后我们都要回去好好理解笔记，翻书去寻找更多的知识背景。这种在剑桥大学里被默认的一种自主学习的方法，可能也是为什么在剑桥的学习氛围会那么好的原因。

因为Lecturer开挂的上课速度，来自不同科目的压力也会让学生有些喘不上气，这也就有了著名的“Week 5 Blues”，专指在学期的一半（Week 5）的时候，学生由于学习压力大而感到的“焦虑症”。（也可以理解为Lecturer一看时间发现还有5周时间了，所以加快了上课速度，让学生各种lost）基本上每个学院在这个时候都会发类似的邮件给学生打气加油，在学院的formal上，或许还会有过来人这么跟你说：

“不用太在意，一开始我也觉得很难。”

“大家都是这么过来的。”

不过，经历过第一年考试的学生们会发现，如果这个学期的课不去弄明白，很可能当第二个学期开始后就要花更多的时间catch back曾经学过的内容了。所以本科三年，除了学习了各种数学科目，学生很快就会掌握在短时间内深入理解知识的能力，和及时巩固所学知识的能力。这给我留下的后遗症就是现在我每当看到一篇有趣的科学文章，都感觉来年会有考试一样，所以会尽量的掌握里面的内容和知识，做好相关的笔记。

我的学生们

这几年带了很多不错的学生，做老师做大的乐趣就是看到学生的成长，然后与人分享。

张同学，2015年成功申请剑桥数学系，他的Personal Statement里有很多好的例子，但是research flavour的篇幅较少，通过和他交流他对数学的兴趣，鼓励他主动描述一些“research”经历和对于一些学术难点的理解，我们很快就有了一份充满对学科热情的文书。

王同学，2016年成功申请剑桥数学系，剑桥的面试环节重视和老师的交流，其实这也是在观察一个学生在将来的Supervision上是否能够正常的表现，充分汲取知识，并且懂得讨论学习内容的方法。所以在模拟面试的过程中，我重视和学生的交流，希望能够给学生真实的supervision环境。一开始，王同学比较害羞，属于冷漠型数学家，喜欢用纸和笔证明自己的想法。但是面试官是不愿意看到一个学生在他们面前一句话不说做30分钟题目的。经过几次模拟面试后，王同学比之前更大方了，会自然地用语言表达脑海里的思路，可以很好地交流数学。

沈同学，2015年成功申请牛津数学系，在与他的教学经历中，我越发体会到”产生问题，思考问题，解决问题“在学习的过程中是非常必要的环节。这也是为什么，在剑桥的supervision里，老师很少给学生“标准答案”。很重要的一个原因就是因为参考“标准答案”往往会缺少“产生问题，思考问题，解决问题”里的一部分。在面试里也是一样，在教授抛出的问题后，他们期待看到的就是这个学生如何经历这三个过程的。如何活学活用书本上的知识是面试成功很重要的因素。经过几次模拟面试，沈同学展现了更好的拓展思维能力，对面试中给出的提示反应迅速，举一反三，从简至繁，这正是面试官希望看见的。

Reference:

（1）V. Rubin et al. 1978, Extended rotation curves of high-luminosity spiral galaxies. IV—Systematic dynamical properties, SA through SC, ApJ 225, L107, p. L109, Fig. 3.

（2）https://arxiv.org/abs/astro-ph/0608407

（3）Heymans, The Dark Universe, IOP Publishing Ltd 2017

（4）Schneider, Extragalactic Astronomy and Cosmology (2nd Edition), Springer 2015

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