為什麼國際物理界沒把悟空的這次發現當回事(轉載)

王孟源：為什麼國際物理界沒把悟空的這次發現當回事



    王孟源
    哈佛大學物理學博士

關鍵字: 悟空暗物質暗物質粒子探測衛星

【文/ 觀察者網專欄作者 王孟源】

物理界在1880年代就提出暗物質的猜測。一開始是因為銀河系外圍恆星的切向飛行速度
太快，銀河系核心被觀測到的質量遠遠不足以提供所需的向心力。後來在20世紀發現同
樣的問題也出現在更大的尺度上，星系團（Galaxy Cluster）和超星系團（
Supercluster） 外圍成員的切向飛行速度也是數倍於核心重力能維持的範圍。如此一
來，只有兩個邏輯可能，第一是每個星系（Galaxy）都有大量不參加強作用力（否則會
與原子核有反應）和電磁力（否則會與電子和質子有反應）的暗物質；第二，是廣義相
對論的重力方程式在星系以上的尺度必須有新修正項。

近年來，用各種間接手段觀測到的暗物質重力效應越來越多，要靠修改重力方程式來滿
足所有的觀測結果也越來越難自圓其說，所以暗物質就成為天文物理界的主流理論。
2017年11月有兩篇論文引起了學術界專家的注意和廣泛討論，剛好就是有關這個話題；
一篇似乎是對的，另一篇則似乎是錯的。

頭一篇是UC Berkeley的Katelin Schutz在11月9日發表的論文：經過觀測和研究，證明
暗物質的重力效應，至少在銀河系內是完全球對稱的（Spherically Symmetric）。因
為銀河系的可見物質成碟狀分佈，如果暗物質的重力效應其實來自重力方程式的變形，
那麼應該也會看到碟狀而不是球狀的現象，所以這個新結果又再一次偏愛（Favor）了
暗物質的存在。

另一篇是University of Geneva的教授André Maeder在11月27日發表的理論，是廣義
相對論重力方程式的又一個新的變形。但是隨即遭到好幾個物理博主的無情反駁（參見
Sabine Hossenfelder在11月30日的總結：http://backreaction./2017/11/if- ... ntists-do-what.html

），
基本上已經確定是錯的。

至於中國的悟空衛星，在11月30日發表於《Nature》的論文，號稱在1.4TeV的能階上可
能發現了暗物質衰變產生的電子，雖然被中國官方廣為宣傳，不但充斥於中文媒體，英
文的大眾媒體也多有報道，但是如此驚人的結果，物理專業的博客卻對它基本無視，既
沒有慶祝也沒有反駁，《Nature》自己的網站也沒有出新聞報道，這是為什麼呢？

前面提過，暗物質理論來自對重力現象的間接觀測結果；它不可能參與強作用力和電磁
力，否則必然早已被直接觀測到。但是宇宙中還有第四種作用力，也是弱作用力；它太
過微弱，所以暗物質是否參加弱作用力，目前的實驗和觀測很難完全排除其可能。其實
客觀來說，希望很小，這是因為量子效應會在較低的能階也留下蛛絲馬跡，人類的對撞
機已經做到13TeV的能級，卻完全沒有看到任何這類的量子修正項，代表著在1TeV、
10TeV、乃至100TeV的能級上，暗物質都不太可能有弱作用力的效應。如果理論非要硬
拗不可，當然也做得到，只須要多加幾十個、乃至幾百個自由度，或者硬是假設精度極
高的參數（例如弱作用反應項的係數被設定為0.00001），但是這些做法都是失敗理論
的特徵，嚴重違反了Occam's Razor。

實驗學家要向政府要大錢（雖然悟空的造價宣稱只有1億美元，即7億人民幣，但與悟空
衛星類似的AMS-02可花了20多億美元，亦即130多億人民幣）來花，就不能老實地解釋
這一點，而必須假裝暗物質參加弱作用力（叫做「WIMP」假設，Weakly Interacting
Massive Particles）是個有根據的結論。剛好超弦的基本假設，也就是超對稱，天然
就會產生WIMP，於是裡應外合，高能物理的理論和實驗界都眾口一詞，把WIMP假設吹噓
成主流理論，在過去十年裡催生了許多個昂貴（即百億人民幣級）的實驗，專門要測量
WIMP。這些WIMP實驗又分成兩類：第一類是在很深的地下，用大量同位素穩定（亦即沒
有會自發衰變的同位素）的介質，藉以觀察其原子核與WIMP直接進行弱作用力反應，例
如美國的LUX實驗和中國版PandaX。第二類則是用衛星來測量WIMP在銀河系空間中因弱
作用力而自行衰變產生的正子和電子對，例如美國的AMS-02和中國版悟空衛星。

所以悟空衛星實際上是一個專門測量宇宙線中的正子流和電子流的儀器。但是因為銀河
繫到處都有磁場，電子和正子在被截獲之前，已經轉過許多彎了，所以不可能知道它們
的發源方向。那麼唯一能測量的，只是它們的能量。結果全世界幾百個博士，花十年時
間和百億元，所得到的，也就是下面這張圖：橫軸是能量，縱軸是觀測到的電子流密度
。然而，宇宙中能產生電子和正子的機制太多了，根本不可能精確計算背景信號曲線。
所以最後只能籠統地看看測量結果的曲線是否平滑。

DAMPE是悟空衛星計劃的英文名字，AMS-02和Fermi都是美國較早發射的衛星。這次悟空
衛星團隊宣傳的結果，就是在圖中紅線右端沒有平滑過渡的一高一低兩個點，分別對應
著1.4TeV和1.2TeV的能量。但是有三個疑點：1）Fermi衛星（圖中的藍線）也涵蓋了相
關的能階，卻沒有看到類似的現象；2）這個結果出現在電子流（縱軸）很低的尾端，
剛好對應著較少的統計樣本和較低的統計意義；3）這兩個偏離平滑曲線的點，偏離的
程度只有兩個統計標準偏差左右，距離物理界傳統上要求的五個標準偏差很遠，連「有
趣」都談不上。

一般統計方法假設高斯分佈（Gaussian Distribution），兩個標準偏差對應著名義上
（Nominally）4.5%的統計噪音機率（亦即有4.5%的機率這個結果是因統計樣本不足而
隨機產生的噪音）。五個標準偏差則精確到0.00006%。為什麼物理界會要求如此高的統
計精確度呢？

這有很多原因，和我們眼前話題有關的有三個：1）實際的隨機分佈往往不遵循高斯分
布，而有不能確定的胖尾巴（Fat Tail），使得統計噪音被低估。2）兩個標準偏差對
應到4.5%的噪音，是假設只有一個數據，像上圖這條紅線總共有38個數據點，那麼隨機
出現兩個標準偏差數據的機率就是（1-（1-4.5%）^38）=93%；換句話說，沒有偏離的
現象才算奇怪。這在物理界叫做「Look Elsewhere Effect」；也就是人類天性就會專
注在「特別」的數據點上，而忘記有多少「普通」的數據點被嘗試過了。所以要求五個
標準偏差，即使有10000個「普通」的數據點被忘記，實際上統計噪音仍然只有（1-（1
-0.00006%）^10000）=0.6%，還在可接受的精度內。3）這種簡單的標準偏差估算，還
有另一個隱性的假設，就是橫軸的測量是絕對精確的，統計誤差只存在於縱軸。可是電
子流密度的測量，最大的誤差其實是在能級上；換句話說，這張圖的橫軸誤差實際上比
縱軸誤差還大，有少數幾個1.2TeV的樣本被測量成1.4TeV，就自然會有一個1.2TeV的低
點和一個1.4TeV的高點。這是統計噪音又被低估的另一個原因。

正是因為悟空衛星結果的實際統計誤差太大，完全沒有任何統計意義，所以國際物理界
不把它當回事。但是悟空衛星團隊不止是拿一個沒有實際統計意義的假結果來矇混過關
，而且存在誤導聽眾的可能性。我這麼說，是因為暗物質如果真的衰變，會產生同樣數
量的正子和電子；但是在1TeV左右的能級上，宇宙線中電子流的背景比正子流高20倍，
所以AMS-02和Fermi發表結果的時候，都專註在正子流而不是電子流上，正是緣於前者
的信噪比是後者的20倍。悟空衛星團隊反其道而行，顯然是正子流的曲線圖沒有對應到
1.2TeV和1.4TeV的異常點；換句話說，他們其實有否定自己結論，而且信噪比高20倍的
數據，但是有意地藏了起來。萬一真是如此，就不止是誇大宣傳，而是有作假忽悠之嫌
了。

實際上，WIMP和它所依據的超對稱理論，從1986年的Ginsparg & Glashaw論文揭露真相
開始，大多數的高能物理學家就知道不靠譜（例如2000年有行內的賭盤，結果賭LHC不
會發現超對稱的佔70%），偏偏有關部門在美國超弦界影響下，依然堅持做超對稱實驗
，兩年前的Panda X和這次的DAMPE不但都如有識之士早已預見的做了虛功，而且是美國
實驗的重複投資，即使誤打誤撞中了彩票，也只會是追救護車之舉，可有可無。因為比
起美國稍早的版本，它們只多出一點點功能，而美國實驗在設計的時候，就已經尋求效
費比的最大化，所以名義上的多出來的那一點功能，其實沒有什麼實際上的物理意義。

例如這次悟空衛星，犧牲了壽命來追求高一點點的能階。但是高能級的統計誤差本來就
大，再犧牲了壽命之後，就不太可能有足夠的統計樣本來得到確實的新結果。換句話說
，Panda X和悟空衛星都是在投資上並不明智：不但找到信號的機率很低（小於0.1%）
，就算有信號，美國實驗也會先找到。美國人找不到而中國找到的腳本，是完全不存在
的。

相比之下，前面提到Katelin Schutz真正推展了人類對暗物質的了解，所用的卻只是幾
台簡單的個人計算器。