季向东：暗物质存不存在仍未知 但为何必须要研究

出品|科学家说栏目组

作者| 网易科技 温泉

[他是谁]

季向东，上海交通大学物理与天文学院鸿文讲席教授，未来科学大奖科学家委员会委员、PandaX国际合作组发起人和负责人（这是以中国科学家为主导的大型暗物质直接探测国际合作实验组）。在暗物质探测方面，目前该实验组的探测结果为世界最高水平。

[精彩言论]

1.对暗物质性质的研究，终将使人类认知产生飞跃。

2. 穷尽我们目前的认识和感知极限，一切由我们熟知的原子、分子构成的普通物质，只占宇宙的5%，而其他的95%，是暗物质和暗能量。

3. 不断地改进仪器的灵敏度，有一天我们可能会探测到暗物质。即使有一天我们探测不到暗物质，那么对我们现在世界的了解也会产生非常大的冲击。

[正文]

可以轻松地从地球的一端跑到另一端，每秒上亿次穿过我们的身体，却看不见摸不着——这就是暗物质。

目前，上海交通大学物理与天文学院鸿文讲席教授，PandaX国际合作组发起人和负责人季向东的主要工作，就是暗物质直接探测。

不过，目前还没有发现暗物质。2016年7月21日，季向东在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果，在3.3万公斤/天的曝光量下，未发现暗物质粒子踪迹，对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。这一探测的灵敏度是2016年发表的世界最高水平。2017年8月，PandaX合作组又发表了新的探测结果，灵敏度再次领先世界。

“对暗物质性质的研究，终将使人类认知产生一个飞跃。”在接受网易科技专访时，季向东表示，“即使有一天探测不到暗物质，也会使我们对现在这个世界的了解发生非常大的冲击。”

21世纪最重要的科学问题之一

暗物质是现在人类在21世纪最重要的科学问题之一，因为它是对我们所处的宇宙环境的探索。

过去，人们认为地球、太阳、月亮、星星，就已是宇宙的全部。但即使银河系中有百亿个类似太阳的恒星，宇宙中有千亿个星系，也都是由“普通物质”构成。“穷尽我们目前的认识和感知极限，一切由我们熟知的原子、分子构成的普通物质，只占宇宙的5%，而其他的95%，是暗物质和暗能量。根据现在的了解，暗能量约占宇宙总能量的68%，暗物质约占宇宙总能量的27%。”季向东解释。

尽管还没有找到暗物质，但是季向东相信“发现就在转角处（the discovery is around the corner）”。

季向东介绍，暗物质的研究是一个多学科协同推进的过程，比如研究暗物质的手段，它用的是探测器，探测器技术的发展，会改变探索暗物质的方式。所以需要不断地去发展探测器的技术。同时比如像暗物质探测，它实际上是多个学科的交叉，有天文也有粒子物理，所以粒子物理和天文学的发展，它会推动暗物质的研究，同时它们又会相互影响暗物质探索的成果，对粒子物理，对天文学都会发生巨大的反馈作用。

刷新宇宙认知

对暗物质的研究，充满了不确定性。但是季向东认为，无论是正面还是负面的发现，对暗物质的研究终将刷新人类认知。

如果是暗物质存在，那么它的故事有可能与引力波相似。2016年年初，美国科学家发现引力波，在世界上引起了很大的震动。引力波的探测，也进行了很多年，科学家们不断地改进仪器的灵敏度，最终发现了引力波。如果不断地改进仪器的灵敏度，可能有一天也会探测到暗物质。

如果暗物质不存在，季向东认为，那也有可能是一个相对论的故事。

狭义相对论的发明，与当时科学家们测量地球相对以太的速度有关。以太是科学家想象出来的一种物质，想象电磁波是在以太里传播，所以科学家就造一个非常灵敏的仪器，来测量地球相对以太的速度。但是他们测量了很久，进行仔细的分析，发现他们的结果是零。也就是他们没有测到地球相对以太的速度。后来就否定了以太的存在。正是因为这个否定，诞生了爱因斯坦的狭义相对论。这使人类的世界观产生了一个大的飞跃。

“所以我想这些研究的意义是非常重大的，也就是说人类从事这么一个活动，去探测暗物质，它是一个长期的探索。”季向东表示。

以下网易科技专访季向东的部分访谈实录：

网易科技：您为什么愿意加入未来科学大奖的科学家委员会，来支持这个评奖？

季向东：我觉得未来科学大奖提供的是一种新思路，这是一种新的方法来尝试推动科学在中国的发展，而且我非常看好。所以我很乐意的来加入这么一个委员会。

网易科技：您对未来科学大奖有什么样的期待？

季向东：我对它有很大的期待。首先它是民间的，然后某种意义上更草根，更接近于科学家本身，所以我觉得它一定会受科学家的欢迎，同时也会对我们的民众产生一个非常不同的冲击，或者是提供一种不同方式。

网易科技：我知道之前您做过一个非常厉害的实验，当时这个实验的研究结果是说没有发现这个暗物质的粒子，那是不是意味着暂时还没有发现这个粒子？在那个实验之后，研究主要又在哪些方向上展开？

季向东：我很高兴谈一谈我做的这个方向，就是探测暗物质。暗物质是现在人类在二十一世纪最重要的科学问题之一，因为它是对我们所处的宇宙环境的探索，人类需要很长的时间来研究它的存在，它的性质等等。

去年，我们把探测器调到一定的灵敏度，在这个灵敏度上，我们还没找到。但是这并不意味着这个暗物质不存在，这个有点像引力波，因为去年年初的时候，美国科学家发现引力波，在世界上引起了很大的震动，在科学界也好，在民众也好都非常的感兴趣。引力波的探测，他们也进行了很多年，不断地改进仪器的灵敏度，最终发现了。

那么暗物质探测在某种意义上是一个类似的故事，我们不断地改进仪器的灵敏度，有一天我们也可能会探测到暗物质。即使有一天我们探测不到暗物质，那么会对我们现在世界的了解会发生非常大的冲击。

大家都知道爱因斯坦很有名，他发明了狭义相对论。这个狭义相对论的发明，是由于当时测量地球相对以太的一个速度。以太是科学家想象出来的一种物质，这个电磁波在以太里传播，所以科学家造就出一个非常灵敏的仪器，来测量地球相对以太的速度，但他们发现最终结果是零，后来就否定了以太的存在。

正因为这个否定，就诞生了爱因斯坦狭义相对论，世界观就产生了一个质的飞跃。人类去探测暗物质，是一个长期的探索过程。在某一阶段，我们会有一些成果，但是这些成果无论是正面的或者负面的，都会对我们世界的认识产生一个新的飞跃。

网易科技：目前人类对暗物质的认识，已经走到了哪一步？以后再研究它，还要解决哪些问题？

季向东：我们现在对暗物质的认识，都是基于我们从前对世界了解的基础上。做科学研究，都是从已知学到的东西，一步一步往前推。我们对暗物质的认识，基本上是从我们现有的理论，然后产生一个新的理论，这个新理论，不但能解释我们现在所知的东西，还要能对未来的东西做一定预测，最后我们根据预测，再去做实验。

现在根据我们测量的数据，有些人就提出了新的理论，然后我们再想一些办法来去验证这个新理论。所以它这是一步一步的往前推进，这个推进的过程有的时候会很长，有的时候也很短。所以我们做实验的人总是抱着一个理念，就是叫the discovery is around the corner。

所以我们经常是抱着这样非常乐观的一种心态去做我们的研究，同时就我们要随时接受不同的想法。

网易科技：现在对暗物质的研究，主要是在学科内进行探索，还是说目前其他学科的进展也会大大的推进我们的研究呢？

季向东：暗物质的研究肯定是一个多学科协同推进的过程，比如我们研究暗物质的手段，它用的是探测器，探测器技术的发展，肯定会改变我们探索暗物质的方式。所以我们也不断地去发展探测器的技术，同时比如像暗物质探测，它实际上是多个学科的交叉，有天文也有粒子物理，所以粒子物理和天文学的发展，它会推动暗物质的研究，同时它们又会相互影响暗物质探索的成果，对粒子物理，对天文学都会发生巨大的反馈作用。

[科学家介绍]

季向东，1962年出生。上海交通大学鸿文讲席教授、上海交通大学粒子与核物理研究所所长、中国锦屏地下实验室暗物质和无中微子双贝塔衰变探测实验项目PandaX的负责人，在粒子物理与核物理的前沿理论研究方面取得了一系列有重要国际影响力的成果。2015年度美国杰出核物理学家奖获得者。