摘要：2024年11月3日，2024腾讯科学WE大会，邀请5位世界顶级科学家，国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士薛其坤，诺贝尔物理学奖得主、加州理工荣誉教授基普·索恩，上交李政道研究所副所长、PandaX暗物质实验首席科学家刘江来，诺贝尔生理或医学奖得主、挪威

2024年11月3日，2024腾讯科学WE大会，邀请5位世界顶级科学家，国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士薛其坤，诺贝尔物理学奖得主、加州理工荣誉教授基普·索恩，上交李政道研究所副所长、PandaX暗物质实验首席科学家刘江来，诺贝尔生理或医学奖得主、挪威科技大学神经科学教授梅-布里特·莫泽，哈佛大学生物启发工程怀斯研究所所长唐纳德·英格伯，分享基础科学研究成果与前沿应用。

本期长期主义，选择诺贝尔物理学奖得主、加州理工荣誉教授基普·索恩，上交李政道研究所副所长、PandaX暗物质实验首席科学家刘江来两位嘉宾演讲纪要，腾讯科学WE大会发布，六合商业研选精校，分享给大家，Enjoy！

正文：

全文13,396字

预计阅读27分钟

基普·索恩：宇宙卷曲面的奇幻之旅

时间：2024年11月19日

字数：7,209

我们宇宙是如何开始，落入黑洞命运是什么，时间旅行是可行吗？

时隔6年，诺奖得主基普·索恩，再次受邀来到WE大会，回顾他对宇宙卷曲之面长达62年的探索之旅；带领大家进入黑洞，感受空间与时间变化；穿梭空间虫洞，前往遥远的星系；穿越时间，畅想时间旅行的无限可能。

基普·索恩预测：到2030年代或2050年代，我们也许会迎来新的转折点，发现宇宙大爆炸产生的引力波，从中获取有关宇宙诞生与量子引力的信息。

基普·索恩演讲全文：

卷曲的时空，构成宇宙当中一些天体与现象，与你我不一样，与我们所看到的世界不一样。例如我们有黑洞、引力波，宇宙诞生的大爆炸，或许还有虫洞与时空旅行。

在我长达62年职业生涯中，我一直在探索宇宙卷曲的一面，尤其是黑洞。黑洞是由卷曲的时间与空间构成，画面上这个黑洞的周长远小于直径。

你也许会问，这真的可能吗，我用一个比喻来解释。

想象一下，由四根高木棍支撑起的蹦床，在蹦床中心放一块石头，蹦床会陷下去，再假装你是一只眼盲的蚂蚁，对你来说，蹦床是唯一已知的宇宙。

你绕着蹦床面顶端爬一圈，就得到一个圆的周长，你向着中心的石头继续爬，经过石头再回到边上，就得到了圆的直径，这时直径远大于周长，你所处的蹦床宇宙已经发生卷曲。

这张图同样可以描述黑洞赤道的二维截面，我只是换了一下注释。

现在黑洞空间，也是我们自己宇宙空间有了卷曲，我们空间在更高纬度的空间里形成卷曲，物理学家将之称为宇宙体，蹦床中间的石头变成奇点。

黑洞表面叫视界，假设我一边跌入黑洞，一边用微波天线向外界传输信息，一旦落入视界之内，在黑洞强大引力下，没有任何东西可以逃出它的魔爪，我的人，与我发出的微波信号，都会朝万恶的奇点无情坠落。

黑洞内空间是卷曲的，时间也是。与地球上时间流逝相比，黑洞视界处的时间慢到停止，在视界之内，时间向下朝奇点流动。

这也从另一角度解释，没有物体能逃出黑洞的原因，没有东西可以逆着时间流动的方向反向移动。

类似地球自转一样，几乎所有黑洞都具有自旋，这种自旋会把黑洞周围空间一起拖入漩涡运动，类似龙卷风一样，越靠近黑洞视界，速度越快，反之越慢。

这张图精确呈现在快速自旋的黑洞周围，时空如何卷曲。

屏幕上不同颜色，体现时间变慢的不同程度，比如在黄色区域，时间流速是远处时间的10%，空间的涡旋所具备的角速度与白色箭头的长度成正比，越靠近视界，附近速度越快，反之越慢。

我妻子卡罗琳，假设她站在黑洞的北极上方，她双脚就会比她头更快被拖入漩涡运动中，她的头会看到自己脚在逆时针旋转。对她脚来说，脑袋也在逆时针旋转，类似拧毛巾一样，在视界以北，会有一个逆时针旋转的空间涡旋。同样，在视界以南，有一个顺时针旋转的空间涡旋。

除了漩涡，还有一种从黑洞当中伸出来的叫做伸拽。

用大海洋潮汐来解释，地球上潮汐由月球引力产生，地球上靠近月球一面引力大于远离地球的那一面。地球两侧，还会有向内的轻微拉力，地球中心完全不受月球引力影响，月球是自由下落的，对地球来说，不仅存在靠近月球与远离月球的引力拉伸作用，还有来自侧面的引力挤压，这些作用产生于海洋潮汐。

爱因斯坦相对论提供了一种解释，这种拉伸效应，由拉伸伸拽形成，一直穿过地球，挤压由挤压伸拽产生，它包围着地球，同样，黑洞的伸拽会拉伸挤压一切靠近它的物体，包括行星、航天器或者人。伸拽与涡旋一样，都来自卷曲的时空。

黑洞究竟是什么？

我用一段最近与艺术家莉娅·哈洛兰联合出版的插画诗集来生动的描述一下：黑洞是所有这些的集合，有卷曲的时空，存在于宇宙体的漏斗，有旋转的空间涡旋，有产生拉伸与挤压效应的伸拽，变慢的时间如瀑布般倾泻，还有视界与奇点，这一切皆由卷曲的时空编织而成。

我与莉娅·哈洛兰的书将在2月，在中国出版，这是介绍宇宙卷曲面最完整、最前沿的一部作品。

下面聊一聊引力波，比如由两个黑洞碰撞之时产生的引力波。

1916年，爱因斯坦预言、描述引力波，如果引力波传入我们屏幕，它们包括水平方向上拉伸一切的红色伸拽，与垂直方向上挤压一切的蓝色伸拽，它们拉伸与挤压类似这样振荡，也可以想象成空间本身连同其中一切物体都在拉伸与挤压，这些波由卷曲的空间产生，它们是探索宇宙卷曲的理想工具。

物理定律告诉我们，只有两种波，能在遥远的宇宙当中产生，传播到地球，带来关于它们起源的信息，第一种是电磁波，包括光、射电波、X射线、伽玛射线等，第二种是引力波，类似电磁波一样，它的波长范围非常广。

400年前，伽利略自制一架小型光学望远镜，对准木星，发现木星4颗最大的卫星，由此开创基于仪器的电磁天文学。

400年来，电磁天文学彻底颠覆我们对宇宙认识。

1972年，我与同事开始提出引力波天文学这一新设想，如果能探测到引力波，它与电磁波也许将掀起一场全新革命。

同样是在1972年，我在麻省理工学院的朋友雷纳，发明一种引力波探测器，最终取得成功。

探测器由两条长臂构成L形，每条臂上都悬挂两面镜子，在引力波影响下，其中两面镜子因拉伸彼此远离，两面受挤压而彼此靠近，然后再远离、再靠近，如此往复振荡。

激光束通过对拉伸与挤压进行监测，听起来很简单，但技术困难到无法想象，哪怕每条长臂上的镜子相距4,000米，最终它们也确实相距4,000米。

我们已知最强引力波，黑洞相撞产生的波，能拉伸并挤压镜子，影响幅度小到无法想象，只有构成镜子原子的一千万分之一，是1942年的技术所能测量到最小距离的千万分之一。

直到43年之后，我们才成功。这离不开大科学，15个国家1,000多名物理学家与工程师众志成城，在巴里什等人出色组织与管理下，齐心协力，一同发明、研发，不断完善所需的新技术，这个项目最终花费10亿美元。

引力波的成功探测，还要求对黑洞碰撞进行高精度计算机模拟，通过超级计算机求解爱因斯坦方程，模拟黑洞碰撞，本身挑战重重，成功需发明与研发先进的计算机技术，还需长达55年之久国际合作，需研究爱因斯坦卷曲时空的科学家，需计算机科学家，大家齐心协力才能开发出模拟的概念与算法。

这一项目融合小型科学、中型科学，必须要缜密管理，后期每年预算开销高达几百万美元。新技术帮助我们解锁全新领域，成为理解黑洞与引力波的转折所在。

这个视频是LIGO观测到第一个黑洞碰撞的卷曲时空，是索尔负责的SXS模拟极端时空项目的模拟成果，该项目总部在加州理工与康奈尔大学，中间两个漏斗代表从宇宙体看见的黑洞，不同颜色表示时间减慢程度，红色区域的时间非常缓慢，黑洞世界内的深色区域，时间无限变慢，这里我故意放慢速度，方便大家更好观察空间的极度扭曲，类似暴风雨中的海面，在黑洞相撞的瞬间，视频暂停了，我们可以看到合并后的黑洞发生振荡，爆发引力波，向宇宙深处蔓延。视频做得很酷炫，但没有解释引力波如何产生。

引力波有两种，第一种是由伸拽产生，它们的世界会并合成哑铃一样形状，头尾分转，与世界相连的伸拽，会像灌溉水枪一样前后扫射，成为引力波。

第二种，是由四个扭曲的空间涡旋产生，两个黑洞各有两个涡旋与之相连，当并合的世界旋转翻滚时，涡旋会开始前后扫射，类似移动的磁场会产生电场力一样，每个向外扫射的涡旋，也会在自身周围产生拉伸与挤压的伸拽，这是引力波。

这两种引力波，由13亿年前的黑洞碰撞产生，这是发生在很久以前一个遥远星系的故事，引力波却可以飞出黑洞所在的星系，进入星际空间。

13亿年过去，它们穿越广袤的星际空间。

5万年前，当我们地球上还住着人类祖先与尼安德特人时，引力波抵达银河系外围，最终进入我们银河系。

2015年9月14日，引力波抵达南极半岛顶端附近，它们安然无恙穿过地球，在路易斯安那州，利文斯顿的LIGO引力波探测器中现出真身，7毫秒之后，它们再次出现在华盛顿汉福德第二个LIGO引力波探测器中，它们对探测器的每一条长臂造成的拉伸与挤压是原子的千万分之一。

我们了解一下拉伸与挤压效应，是如何被监测到的。

简而言之，是向分光镜发射激光束，沿着4公里长的垂直臂上传播，再反射回中央分光镜，重新整合之后再回到探测器。

当引力波通过时，中央分光镜与末端反射镜之间的距离，会沿着一条臂上伸展，沿着另一条臂上压缩，这就改变光沿着两臂传播所需的时间，重新组合的光波产生位移，在探测器上留下信号。

空间中难以置信的微小拉伸与挤压，可以通过这种方式直接测量。

这个信号是由多小的空间扭曲产生的，让我们放大一颗氢原子，直到看到它核心质子，可以测量微小的距离变化，小到只有质子直径的一千分之一。

13亿年前，来自遥远的宇宙深处，两颗黑洞相撞产生的引力波，最终抵达LIGO。来自LIGO与欧洲Virgo引力波探测器，Virgo当时还没有开始运行，合作组1,000名科学家与工程师，对这次拉伸与挤压现象进行细致分析。

5个月后，LIGO、Virgo分析小组宣布他们发现：通过与团队模拟出的引力波探测进行对比，他们得出结论，LIGO观测到两个黑洞相撞产生的引力波。

这两个黑洞的重量，分别是29倍太阳质量与36倍太阳质量，总重量等于65个太阳，并合之后黑洞重量减少到62倍太阳质量。

可以这么说，这个过程中，有3个太阳完全湮灭，化身为引力波。

在刹那碰撞中，引力波释放的能量，是宇宙中所有恒星输出功率综合的50倍。

随后，分析小组推算出引力波的传播距离为13亿光年。这成为探索宇宙卷曲面的第二个转折点，拉开引力波天文学的序幕。

LIGO、Virgo合作组，已经观测到200多次黑洞碰撞，我们也正在利用收集到的数据，进一步探索黑洞遵循的定律、宇宙中黑洞特性与数量。

我们观测到几次中子星的碰撞，其中一次碰撞，产生了天文学家所看到的各种形式电磁波，我们观测到多个黑洞吞噬中子星，我们正在用引力波探索宇宙的卷曲一面。

现在谈第三个转折点，令人惊掉下巴的重大发现：我们宇宙卷曲面与它物质面，通过真空涨落紧密相连。

真空涨落是什么？拿出一个盒子，取走里面所有可以取出的东西，只留下真空，根据量子物理定律，真空中一定包含微小波动，这种波动来自所有可能存在于盒子里的东西，随机闪进闪出。

比如光、X射线、伽玛射线、电子、正电子、质子、中子的随机波动。令人惊奇的是，这些波动没有净能量，没有产生任何引力。也许有极其微小的量，在这个当中忽略不计。

1973年，俄罗斯著名物理学家雅可夫·泽尔多维奇，提醒霍金与我，他说真空涨落的胃口太好了，只要遇到迅速收缩，或者是迅速膨胀或扭曲的空间，真空涨落就会开始胡吃海喝，吸取能量，将自身转化为实际物质粒子。

这一点让霍金茅塞顿开，发现黑洞在诞生过程中，会将真空涨落转化为辐射，在此后的数百万年中，逐渐从黑洞世界中陷落释放出来，今天我们称之为霍金辐射。

受这一脑洞启发，泽尔多维奇年轻同事斯塔罗宾斯基、林德、古斯，发现宇宙所有物质与辐射的可能来源，他们推测宇宙在诞生早期，以指数级速度快速膨胀，他们称之为暴胀。

他们用物理定律证明，如果宇宙存在爆炸，从大爆炸奇点中产生的真空涨落，从膨胀的空间中吸取到恰到好处能量，将其统统转化成今天充满宇宙的物质与辐射。

聊到宇宙卷曲面的探索，不得不提到虫洞与时空旅行。

虫洞是一座横跨高维宇宙体的假想通道，连接宇宙中两个不同位置。

举个例子，电影《星际穿越》中，一个虫洞将太阳系与遥远星系的核心位置连接起来。早在1962年，我的博导约翰-惠勒，就发现虫洞会快速内爆，任何试图穿越虫洞的物体，都会被内爆与奇点毁灭，无一幸免。

虫洞仍然启发我们利用物理定律，进行数10年研究，分享目前的初步结论：虫洞可能无法在宇宙中自然形成，也许能由高度发达的文明创建。这些文明，可能会在虫洞喉放置奇异物质，保持虫洞开启，奇异物质是指具有负能量的物质，引力会产生排斥力，让虫洞保持开启状态。

这种奇异物质，也许可以通过改变真空涨落来制造，比如如果真空中某一个区域借用另一个区域涨落，被借走的区域会具有负能量，变成奇异物质、产生引力排斥。

我们不确定这种方式，制造出的奇异物质，能否足够维持虫洞开启，我觉得不能，我的直觉往往是错的。

假设我与我妻子卡罗琳，来自高度发达的文明，我们手上有一个虫洞，我们也许能把虫洞变成时光机。

把虫洞的一个口，放在时间流速非常缓慢的黑洞附近，让其保持在那里1年。

我把另一个虫洞口，放在离黑洞很远的地方，在那里我老了30岁，她只老了1岁，通过我们之间空间，妻子能看到年迈的我，穿过虫洞，我们手牵手，衰老速度相同，妻子又看到年轻的我，就这样虫洞变成一台时光机。如果我穿过虫洞，从妻子这边的开口去到我放置的开口，我就会见到年轻的自己。

我曾经就此专门写过一篇论文，发在《物理评论快报Physical Review Letters》上，当时觉得非常有意思。我同事没有太严肃的批评我发表的这篇论文，当时我写这篇论文还是非常严肃的。

当虫洞摇身一变成为时光机的那一刻，真空涨落将以光速穿过虫洞，在它们离开的那一刻又重返起点，强度加倍，获得正能量。如果再次穿越，它们强度将增到4倍。如此类推，呈指数级增长，最终结果是巨大爆炸。这是1990年，霍金与我学生利用物理定律发现的。

爆炸的强度，是否足以在虫洞成为时光机的那一刻摧毁它？答案不得而知。

霍金与我认为答案属于量子引力定律的范畴，人类对此知之甚少。

霍金喜欢大胆猜测，他提出时序保护猜想，任何先进文明制造的时光机，都会在开机的那一刻被真空涨落摧毁，保证宇宙不会为难所有物种的历史学家。

62年前，当我开始探索宇宙的卷曲面之时，是一项孤独的工作，大家认为卷曲的一面更像是科幻小说的主题，而不是科学主题。

探索过程中，我只有极少数同伴，如今有数千名年轻的科学家、工程师，在用引力波探测宇宙卷曲的故事，还有数百人用计算机模拟技术共同助力。

在此，我也想邀请感兴趣的你一起来探讨。

有人说，可以多多了解中国的空间引力波探测计划，太极与天琴。

到2030年或者2050年，我们也许将迎来第四大转折点，发现宇宙大爆炸产生的引力波。

这些引力波，应该遵循量子引力定律，所有奇点遵循量子引力定律，这即将到来的转折点，很可能会开启全新的探索。

我们是否能从中截取有关宇宙诞生与神秘量子引力的信息？

电影《星际穿越》里面有一幕讲述主人公穿越时空，与五维宇宙体的过程，这次穿越之旅扣人心弦，不少影迷表示不是很懂其中科学。

我在演讲的最后跟大家聊一聊。

库珀的穿越之旅，是以土星附近一个虫洞洞口，类似屏幕上IMAX摄像机展示的一样。

为了更好解释，我要将各位带入第五维空间宇宙体，从这俯瞰全宇宙，去掉一个空间纬度，整个宇宙现在是二维方式呈现。

来自遥远星系中心的光线，沿着蓝色虚线箭头穿过虫洞，到达相机镜头，由此产生的星云图，类似是左侧水晶球的世界一样，这是虫洞口。

在右边，来自土星的光线一部分绕到虫洞背面，在左边，土星看起来缺了一角，还有一些来自土星的光绕到虫洞前端，在虫洞一侧，让土星的呈像被扭曲拉长成一根细长的香蕉形状。

在《星际穿越》电影中，库珀与摄像机沿着这条蓝色虚线穿过虫洞，正如摄像机为我们呈现的画面一样，镜头不断靠近虫洞，让我们跟库珀一起穿过虫洞，进入遥远的星系。

作为电影作品，导演诺兰加入音效与视效，让穿越之旅更加生动。这是电影唯一偏离宇宙卷曲一面科学解释的地方，在虫洞的另一端，库珀在两颗行星上经历传奇的冒险，这两颗行星都围绕名为卡冈都亚黑洞转动。卡冈都亚黑洞长这样，是它周围的吸积盘，也是气体盘所发出的光线导致。

冒险即将结束之际，导演诺兰想让库珀重返地球，但不走虫洞，观众已经看过一次穿越虫洞，同样的东西再来一次挺无聊。

导演就与我讨论，如何让库珀重返地球？我提了一个想法，他接受了，加入一些天马行空的想象。

导演故意把电影的高潮，跟结尾拍的神秘莫测，难以理解，类似《2001太空漫游》结局一样。

《星际穿越》成功了，留给大家难以琢磨的高潮与结局。

大家想要弄明白的话，唯一的方式，是推荐看看我的书《星际穿越中的科学》。

库珀乘坐巡逻者号飞船，一头扎进卡冈都亚的黑洞世界，进入视界世界，左转，即将扎入其中、穿越其中。

根据目前物理学家的理解，所有黑洞之内，包括卡冈都亚的奇点，不止一个，而是三个，这三个区域的时空极限卷曲。爱因斯坦定律失效，取而代之的是鲜为人知的量子引力定律。

第一个奇点，混沌而致命，如果库珀遇到它，就会在混沌中被无情拉伸与挤压，直到组成他身体的原子都扭曲变形到无法想象；

第二个奇点，从上方向他砸来，在卡冈都亚内部，时间混乱无比，所有在库珀之后掉入黑洞的东西，都会被压缩到这个极薄的奇点中，如果它抓住库珀，会将他一瞬间撕成碎片；

第三个奇点，由在库珀之前掉进黑洞的物体形成，这些物质向上弥散在库珀身上，形成很薄很薄向外飞的冲击波。

第三个奇点附近，有一个等待接收库珀的超立方体，是存在宇宙体的四维立方体，也是一艘宇宙飞船，属于另一个远比我们先进的宇宙体文明，他们用这艘飞船救下库珀，并把他带入宇宙体之中。库珀在这里又踢又叫，他是进入超立方体的三维面之中。

这是电影《星际穿越》当中的画面，这个三维面中，他从超维空间被带回地球。在我们宇宙中，他与地球相距数十亿光年，但在超维宇宙体中，地球离他不是非常远，当库珀苏醒过来时，超立方体已经抵达地球，并停泊在他女儿书柜与卧室旁边，只是存在于宇宙体之中，也是电影世界的第五维之中。

我可以将画面当中没有表现出来的东西，给大家还原一下，大家能更好理解一个三维世界的库珀，出现在超立方体飞船的三维空间中，女儿出现在超立方体对面的另一个三维空间中。

库珀掉入黑洞，还在黑洞附近漂泊很长时间，他的时间变得很慢很慢，几乎没有怎么衰老，他女儿早已白发苍苍。

在奇点附近，库珀收集到量子引力相关信息，他必须将信息传递给他28岁女儿，以挽救人类命运。

超立方体的内部，是宇宙体一部分，它有五个维度，四个空间+时间。

未知的先进文明生物，在超立方体内部制造一台时光机，物理定律告诉我们，在所有基本力中，只有引力能穿越宇宙体，继而穿越这台时光机。

库珀将收集到的量子信息，变成摩尔斯电码，通过引力，将其传递到年轻的28岁女儿那里。女儿通过父亲的手表，接收到信息，利用这些关键信息，拯救濒临消亡的人类星球。

我们宇宙卷曲一侧是一部了不起的作品，它值得后代科学家与工程师、电影制作人、音乐家、画家、诗人、小说家，进行更深入探索。

刘江来：宇宙中暗物质的追寻，来自地下深处

时间：2024年11月20日

字数：6,187

宇宙中95%是暗物质与暗能量，27%是看不见、摸不着的暗物质。

捕捉到暗物质粒子，将带来人类认识宇宙重大飞跃，可能导致新的物理学革命。

上海交通大学李政道研究所特聘教授、副所长与PandaX暗物质实验首席科学家、科学探索奖获奖人刘江来，分享团队在中国极深地下实验室，锦屏地下实验室2,400米山体深处的探测成果：PandaX-4T实验，给出世界领先水平的暗物质-核子相互作用上限，发现太阳中微子与氙核弹性散射迹象，给出未来激动人心的实验升级计划，期望不久的将来某一天，暗物质探测出现转折点。

刘教授演讲全文：

我叫刘江来，是从事暗物质研究的科技工作者。

2017年起，每年在这个时候，恰好是国际暗物质日，有些来自世界各国科学家，会自发组织一些活动，向公众解读我们研究、知道存在、却不知道它们是什么样暗物质的故事。

今天恰好在成都，四川省会，我向大家分享在离这里仅350公里直线距离，大凉山的锦屏地下实验室，我们如何追寻暗物质的故事。

暗物质在空间中无处不在。

现在屏幕上蓝颜色的暗物质粒子，无时无刻不在穿过成都科幻馆，每秒钟穿过人体大致有1亿个这样粒子。

我们浑然不觉，不仅我们浑然不觉，我们地球、太阳系都浑然不觉。

这样的粒子，聚集大到银河系或者全宇宙尺度后，我们就会发现，它们主导宇宙与星系形成与演化。

类似太阳系八大行星，靠引力相互作用粘合在一起一样，我们宇宙中有很多像银河系一样、类似宇宙的细胞星系。每个星系中又有上千亿颗恒星，它们也是一样，靠着引力相互作用聚合在一起。

早期暗物质的想法提出，是基于惊人的观测结果。

当你观察星系中间恒星绕着中心旋转的速度，按照引力理论推断，把所有恒星质量加在一起提供的引力，会预期越往星系外侧，旋转大幅度降低，观测结果的不是这样。

科学家发现到星系的边缘，旋转速度非常高速，大概比今天超音速飞机速度还要快1,000倍。

怎样能维持这样大质量的星系高速旋转？科学家提出，必须在星系中塞入一些我们看不见、摸不着的全新暗物质才能解释。反言之，没有这些暗物质提供的引力相互作用，整个星系就会分崩离析。

为了大家理解这件事情，我们有两位工作人员做了一个演示。

左边这位工作人员手里拿了一根绳子，旋转一个重物，这个绳子能承受的拉力比较大。

右边这个也是同样动作，用的是一根纤细一些的绳子，承受的拉力不够大。

旋转过程中，一开始两者都在高速旋转，到一定时刻会发现，拉力比较小的这根绳子断裂，重物被抛出去。

假设这是没有暗物质的星系，恒星是没有办法维持在这个引力势阱中的。

如果我们站在上帝视角来看一个星系，今天科学家认为，整个星系是笼罩在近乎于像雾霾这样的暗物质晕里的。类似这张图显示的，星系在高速旋转，暗物质晕不转，跟星系之间保持着很强的相互运动。

这只是一个观测效应。大量天文学、宇宙学观测数据，都支持刚才说的假说。

另一个证据，跟基普·索恩教授讲的弯曲时空很接近。

爱因斯坦告诉我们，引力作用下，光不走直线传播，是会在引力场中弯曲。

假设有一个遥远星系，我们看它，我们与星系之间有很大质量的星系，这个前景星系的引力势能，会使光线弯折，产生引力透镜的现象。

地球上观察到遥远星系的图像会产生畸变，根据这个畸变，可以推导出来，到底前景的星系引力势是怎样，暗物质的分布决定前景星系引力势的分布，这是支持暗物质的证据之一。

众多证据加在一起，可以确信，我们只知道宇宙中非常小的一部分。

我们所有已知物质，只占宇宙组成部分的5%，冰山一角tip of the iceberg，更多是我们不知道到底是什么的看不见物质，暗物质。还有69%是暗能量，它是描述宇宙正在加速膨胀的事实，通常认为暗能量与暗物质之间可能没有关系。

今天我们重点，还是放在研究暗物质本质到底是什么。

我们从普通物质讲起，无论是苹果、还是任何已知事物，我们在过去上百年研究中发现，它有最不可分割的最小单元。

比如我们知道物质由原子组成，原子由原子核与电子组成，原子核是质子、中子组成，质子、中子是由夸克组成。我们对普通物质的理解，是从宏观到微观，很完整的了解。

对暗物质，我们对它具体不可分割的最小单元，所知甚少。

这张图显示的，是按照暗物质质量大小来排序，暗物质可能存在理论预言的参数空间，横跨八十几个数量级，包括好几大类理论。

屏幕中间区域的有一种理论，预言暗物质的质量，大概比质子、中子重100倍~上千倍，这被称为是弱作用重粒子。

左边比如说比质子、中子还轻的暗物质，叫轻暗物质。

还有更轻的暗物质，它有类似光子，波动性变得很强，粒子性变得很弱，叫超轻暗物质。

轴右边，还有更重的复合型超重型的暗物质。

刚刚基普·索恩教授说的，宇宙早期诞生出来的一些原初黑洞，也可能是暗物质候选者。

我们没有找到支持哪一种暗物质本质的科学证据，我们知道，暗物质有一些奇特的特性。

比如说，它不跟光发生作用，它有隐身术。它不参与强相互作用，这样它与普通物质的相互作用非常弱，使得它具有非常强穿透性，不仅可以穿墙，甚至可以穿越整个宇宙空间来到地球。

一般探测暗物质，有3种方法。

第一种，是在宇宙空间中找暗物质密度比较大的地方，暗物质粒子与暗物质粒子间产生碰撞，可能会催生出来能探测到的粒子，比如中国悟空卫星，是把探测器放到太空中，来寻找暗物质的间接证据。

还有一种方法，更直接，是把非常灵敏的探测器，放到非常安静的环境中，等待暗物质粒子到达探测器，与原子碰撞后，捕捉碰撞后原子的反冲信号，这被称为暗物质直接探测。

能量足够高的加速器上，可见粒子的碰撞后，有可能把这个暗物质在对撞机中产生出来。

今天我想跟大家讲的是，是直接探测实验。

位置在距离我们这里350公里一个隧道中，雅砻江公司与清华大学共同开发的中国锦屏地下实验室。实验室位于大凉山区锦屏隧道，为了修筑水利工程，雅砻江公司建设的锦屏隧道，2008年通车。这个隧道正中心向上看，有2,400米的岩石埋深，造成暗物质实验所需的极其安静环境。

2009年，清华大学与雅砻江建设第一期锦屏实验室，到2016年，又开始二期实验室建设，今天已经成为中国国家重大科学基础设施之一，支撑很多个团队开展极深地下科研工作。

我所从事的科学研究，是在其中一个B2实验厅中开展。

我们实验名称叫PandaX，Panda既是致敬四川，致敬中国国宝，也是粒子物理与天体物理的简称。X既是致敬我们不知道的暗物质，也是我们用的靶材惰性元素氙的代名词。我们把氙冷却到零下负100度，做成探测器，来捕捉暗物质碰撞。

我们来看一下暗物质到底是怎么进来实验室。它穿过宇宙，来到地球，穿过厚厚锦屏山2,400米岩石，最终到达氙探测器中，找到氙原子进行碰撞，碰撞完之后，不仅产生一束光，而是产生两束光。

每次碰撞完后，原子会得到一定能量，碰撞的瞬间，一部分能量产生闪光信号。

假设探测器上面、下面，都放上能测量光子的阵列，就可以捕捉第一缕光。第二缕光，从哪里来？有些原子被电离了，这些电子在电场作用下，会漂移到液体表面，我们再使得电子第二次被放大，产生第二缕光。

我们把第一缕光称为s1，第二缕光称为s2，把它们结合起来，可以知道这个事件碰撞到底沉积的能量是多少，到底在哪个位置碰撞，我们还能对碰撞究竟是什么样的事例进行甄别。

暗物质理论认为，暗物质更可能与原子核相互碰撞，原因是它会一下子看见一坨有很多质子、中子的原子核，比单个电子更容易碰撞。

对一个原子核被碰出去的信号，它第一缕光与第二缕光的大小比较平衡Balance，相反，如果是环境中或探测器中伽马射线，更容易与电子产生碰撞，这时电子反冲产生的信号，第二缕光与第一缕光的比值，要大得多很多。通过这种方式，我们能对探测器的本底进行很好控制。

探测方法有了，为什么要在锦屏山做实验？

我们这里显示两边的对比，左边是上海交大李政道研究所，是地面实验室中的液氙探测器。

右边视频是锦屏山B2实验厅，正在运行中探测器的镜头。

我们为了使得地下能探测到的这个事例数最大化，采用20平米的水屏蔽体来做探测器，左边仅有1平米左右的液氙探测器。

左边示波器正在闪的这些事例，是我们在地表探测到来自宇宙深处的宇宙线打到大气层里产生的次级粒子，眼睛数来，大概1平米每秒钟可以看到100个这样粒子。右边什么都没有看见，是不是仪器坏了？不是，是我们不够耐心。

这个图放在这里就可以看得很清楚，我们把一天的数据压缩在一起。右边一天我们在20平米的探测器中间看到5个事例，左边地表如果归一化面积后看到的是右边千万倍~亿倍量级。

这是为什么要把探测器建设在极深地下，能屏蔽来自地表的宇宙射线，这个山体又像是一个漏筛一样，让所有暗物质都可以漏过去，跑到你的探测器中。

我们来看一个锦屏视频。

隧道长17公里，我们驱车来到隧道正中间，9公里处，拐进去是国家重大基础设施。现在我们进入洁净间，这是工作人员正在穿戴洁净服。

这是4年前我们建设新一代探测器的照片，安装场笼，上下光电倍增管阵列，最后把这些探测器合罐后，运出洁净间。

这是制冷循环提纯系统上图。

最后是这个实验核心，需有氙气，这里是氙气存放系统，将5.6吨氙气液化到负100度，运行探测器。探测器在一个超纯水的屏蔽体中间，探测器静静等待暗物质粒子的碰撞。

我们再看一下实际数据图，这是我们真实采到的一个碰撞事例。

可以看到，这是第一束光，反映在上下阵列上分布比较均匀的光。

再往后面看，这是电子正在漂移，没有动静。

过了一会后，电子漂到液面，到二次被放大时很靠顶部，这时我们看到的闪光是在顶部上第二次发光。

通过这两个光具体测到的实际波形信息，我们知道能量、位置、碰撞到底是哪种种类，来进行暗物质的寻找。

2009年开始建这个实验，这15年究竟做了什么？

我们一共建设了三代探测器，今天是第三代，从120公斤到580公斤，今天是4吨级的探测器。我们在不停与新困难在进行斗争battle。

十几年前有个电视剧《走向共和》，有一句很著名的话，李鸿章说每一代人只能做一代的事。

反映到我们这个实验非常贴切，我们在每一代更灵敏的探测器中，都会发现一些全新的前面没有碰到的问题。

我给大家举个例子，在最新一代探测器中，我们看到全新的本底，探测器中被掺杂一些少量氚元素。

氚是什么？它是氢元素的同位素，一个质子中塞进两个中子。

氚不稳定，大概半衰期12年。我们探测器运行95天，发现的氚元素有多少？大概每公斤中间的氙，有20个氚原子。

听上来没有概念，对比一下，每1公斤饮用水中有5万亿氚原子，我们可以把它喝下去。

我们实际看到的这个量是非常非常小的，可以说我们建设了全世界最好的氚探测器之一，才能看到这样本底，可是当你看到这个本底后，才能试图解决它。

这是我们团队经常干的事，它没有教科书，发现了一个个无法预料的问题，然后想办法。

花了大概1年半左右时间，我们第二次运行时，把这个氚的本底降低大约10倍，每公斤有2个，我们依然能看见它的踪迹。

我希望也许再过几年，我们能给这个探测器中间的氚原子每个都起一个名字，每个都贴一个标签。探测器要灵敏到这样程度，才是真正理想的暗物质探测器。

不管怎么说，在所有困难后，我们还是得到很多数据，得到很好的暗物质探测结果。我跟大家分享一下最新半年采集的数据情况。

左边这张图，每个点是我们最终筛选出来的1,373个散射事例，每个事例有一个S1、S2，组合起来可以画一张图，这张图左右分割，有一个红颜色的线，红颜色之上的线，是刚开始我说的，大多数这些事例，主要来自电子被踢出去的信号，大概率不是暗物质信号，我们称为本底区。红线以下的区域非常有趣interesting，那个区域是原子核被踢出去的信号区，我们称为暗物质区。

我们一共看到多少这样信号？这个红线以下，半年中，我们打开盒子看到12个这样事例，这显然是非常激动人心的。

是不是看到12个暗物质事例?不是，我们有另一个工作必须做，是在信号区还会有一些本底混进来，你得知道到底有多少个期待的本底。

做了本底预期后，我们发现平均而言，在半年应该有13个本底事例。

很不幸的是，我们这次又没有看到新的暗物质碰撞事例，每次我们打开黑盒子时，都是掩不住激动，希望哪一天转折点tipping point会来到。

右边这张图是对数据的解释interpretation。

至今，全世界应该说，所有的实验还没有看到确凿证据。

这种零结果不是没有意义，而是可以转化为暗物质与普通物质相互作用强度的上限。

为什么说是上限？它不可能强于这个值，强于这个值，就应该在数据中看到超出。

这张图的每一条线，是现在国际上比较领先的实验得到的上限。换言之，线之上的参数空间被排除了。

PandaX最新数据是这条红颜色，深红的这条线，而前一个95天的数据是浅红色的线。还有两条是国际上同类实验，一个是美国，一个是在意大利实验团队，我们三家一直在激烈竞争。每一条线，真的是人类探索未知疆域真正、扎实的印记。

这张图上，还有两个大圈，这是两大类理论预言的暗物质有可能存在的区域。

可以看到，两个圈中，都有一部分参数空间被排除，下边还有广阔空间。如果你要是比较乐观，明天探测器中就会出现这种预言中间的暗物质。

这张图最下边，还有一个很有意思的浅黄色区域，这是什么？

当探测器灵敏到一定程度后，应该能看到在我们环境中跟暗物质性质非常像的一种已知的幽灵粒子，是中微子与原子核碰撞的信号。

我们距离这个边界还有2~3个数量级。如果我们需全面覆盖这2~3个数量级来探测暗物质，还需大概200吨/年的曝光量，也是200吨的探测器运行1年，或者1吨探测器运行200年。

最后，我们可以开到，比较低质量的区域，似乎我们曲线已经开始碰到一些中微子信号，事实是不是这样？

是这样的。

太阳由于核反应产生中微子，最高能段的中微子叫硼-8中微子，可以与氙核产生弹性散射。2个月前，我们团队发表了第一个对太阳中微子与氙核弹性散射的数据，发现75个这样的事例，这同我们预期很接近。

我们第一次验证，不仅是探测器的性能performance与我们预期是吻合的，我们用中微子-氙核弹性散射这个全新反应的道看到太阳中微子。

未来实验，不仅能用来寻找暗物质，可能还能对非常神秘的中微子进行更加精确测量，甚至看到一些新的出乎意料的现象。

我们团队在现在运行基础上，进一步考虑升级计划。

探测器中的原子越多，越能使得在相对比较短时间中发现暗物质信号。

也许2025年，我们就要开始下一代实验，20吨级的液氙实验。

后面会根据氙气的拥有量，逐步产生升级到40多吨。

这些所有的研究，需资金投入，很感谢腾讯已经为这20吨项目投入种子基金，使得我们能开展升级工作。

我们对未来时间做了排期，为什么你们未来十几年的工作都能计划好？

不是这样的，我们一般说是5年一代探测器。

我们希望在10~15年时间，能达到200吨/年曝光量，也许这样的实验，就已经能发现暗物质存在，证实暗物质存在，或者是在这个过程中，能找到全新其他现象。

之后我们还有第二代升级计划，把探测器中同位素进行分离，对暗物质某些性质能做更加细节的研究。

科学探索很漫长，也许明天事件就会出现，也许十多年中，我们能找到奇奇怪怪其他的现象，这种不可预期性，可能正是科学探索强大魅力。

暗物质好像在宇宙中很重要，到底它有什么用？

我没法给你一个今天的回答，我要在成都科幻馆借用《三体》一句话给予一个来自未来的回答。《三体》中说，弱小不是生存的障碍，傲慢才是。

翻译成我们这个语境，应该是怎样的？

我们对宇宙知道得还是太少了，要保持谦虚，不要认为经历几次工业革命，我们生活足够好，而是要不停止探索与理解它。

我们人类一直是这样做，从走出非洲成为最高等文明，到我们今天可以走出地球，来研究太阳系，有一天也许像基普·索恩讲的，我们足迹会步入银河系，或者更深宇宙中，到那时，理解暗物质的意义，还是请你来告诉我。

相关研报：

国家经济、投资的范式变化：从碳基经济到硅基经济，AI寒武纪大爆发时刻

【智能时代】现象级游戏《黑神话：悟空》的思考，游戏二元属性，文化与科技

【智能时代】自动驾驶：汽车iPhone时刻，中国三大流派演化形成中

诸神之战：美国科技巨头，从春秋五霸进入战国七雄｜GBAT 2023 大湾区智能时代产业峰会

人类未来文明三部曲之二：智能时代专题预售开启，奇点临近，未来已来

九宇资本赵宇杰：智能时代思考，认知思维，存在原生、降维、升维三波认知红利

九宇资本赵宇杰：智能时代思考，以史为鉴，科技浪潮，从互联网到AI

九宇资本赵宇杰：智能时代思考，宇宙视角，从碳基生物，到硅基智能体

人类未来文明三部曲之一：元宇宙专题预售开启，59期45万字

九宇资本赵宇杰：1.5万字头号玩家年度思考集，科技创新，无尽前沿

九宇资本赵宇杰：1.5万字智能电动汽车年度思考集，软件定义，重塑一切

【重磅】前沿周报：拥抱科技，洞见未来，70期合集打包送上

【重磅】六合年度报告全库会员正式上线，5年多研究成果系统性交付

【智能电动汽车专题预售】百年汽车产业加速变革，智能电动汽车时代大幕开启

【头号玩家第一季预售】：科技巨头探索未来，头号玩家梯队式崛起

【头号玩家第二季预售】：科技创新带来范式转换，拓展无尽新边疆

【首份付费报告+年度会员】直播电商14万字深度报告：万亿级GMV风口下，巨头混战与合纵连横

【重磅】科技体育系列报告合集上线，“科技+体育”深度融合，全方位变革体育运动

【重磅】365家明星公司，近600篇报告，六合君4年多研究成果全景呈现

九宇资本赵宇杰：CES见闻录，开个脑洞，超级科技巨头将接管一切

【万字长文】九宇资本赵宇杰：5G开启新周期，进入在线世界的大航海时代｜GBAT 2019 大湾区5G峰会

九宇资本赵宇杰：抓住电子烟这一巨大的趋势红利，抓住产业变革中的变与不变

【IPO观察】第一季：中芯国际、寒武纪、思摩尔、泡泡玛特、安克创新等11家深度研报合集

【IPO观察】第二季：理想、小鹏、贝壳、蚂蚁、Snowflake、Palantir等12家公司深度研报合集

【IPO观察】第三季：Coinbase、Roblox、快手、雾芯科技等12家公司深度研报合集

【重磅】年度观察2019系列合集：历时3个多月，超20万字近500页，复盘过去，展望未来，洞悉变与不变

【珍藏版】六合宝典：300家明星公司全景扫描，历时3年，210万字超5,000页，重磅推荐

九宇资本赵宇杰：对智能电动汽车产业的碎片化思考

九宇资本赵宇杰：九宫格分析法，语数外教育培训领域的道与术

【2023回乡见闻录】90、00后小伙伴们万字记录，生活回归正轨，春节年味更浓

【2022回乡见闻录】20位90、00后2万字，4国13地，全方位展现国内外疫情防疫、春节氛围、发展现状差异

【2021回乡见闻录】22位90后2万字，就地过年与返乡过年碰撞，展现真实、立体、变革的中国

【2020回乡见闻录】20位90后2万字，特殊的春节，时代的集体记忆

【重磅】22位“90后”2万字回乡见闻录，讲述他们眼中的中国县城、乡镇、农村

六合君3周岁生日，TOP 60篇经典研报重磅推荐

下午茶，互联网世界的三国杀

5G助推AR开启新产业周期，AR眼镜开启专用AR终端时代

新商业基础设施持续丰富完善，赋能新品牌、新模式、新产品崛起，打造新型多元生活方式

【重磅】中国新经济龙头，赴港赴美上市报告合辑20篇

知识服务+付费+音频，开启内容生产新的产业级机遇，知识经济10年千亿级市场规模可期

从APP Store畅销榜4年更替，看内容付费崛起

新三板破万思考：新三板日交易量10年100倍？

九宇资本赵宇杰：科技改变消费，让生活更美好｜2017 GNEC 新经济新消费峰会

九宇资本赵宇杰：创业时代的时间法则，开发用户平行时间｜2016 GNEC 新经济新智能峰会

九宇资本赵宇杰：互联网引领新经济，内容创业连接新生态｜2016 GNEC 新经济新营销峰会

请务必阅读免责声明与风险提示

来源：六合商业研选