2025年8月20日，墨子沙龙邀请到中国科学技术大学彭新华教授在上海图书馆东馆做题为“探索世界的奥秘——从自旋到暗物质的奇妙旅程”的主题讲座，带领观众开启了一场从微观粒子到浩瀚宇宙的奇妙科学之旅。本文根据讲座内容整理而成。
宇宙的构成
我们可以思考这样一个问题：一杯300毫升的水含有多少个原子？通过简单计算可以可知大约有10^25个原子，可见原子尺度之微小。一根头发的直径约为60微米，需要约60万个原子排列起来才能达到头发丝直径的大小。
万物由何构成？古语有云：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，意指物体可无限分割下去，分之不尽。受当时科技水平所限，古人未能深入探究物质的本质，而今我们已知世界由原子构成。“原子”（atom）一词中，前缀“a-”表示“不可”，词根“tom”意为“切割”，即“不可分割”之意。然而随着科学进步，物理学家发现原子仍可进一步分为原子核、质子、中子和电子。随后，科学家确认电子和夸克是构成物质的基本粒子。
如何观测这些微观粒子？最初我们依靠肉眼观察可见光波段，随后发展为光学显微镜，但仍无法直接观测原子。为此，需借助波长更短的电磁波，例如X射线显微镜，其分辨率可达纳米量级。去年瑞士和美国的研究报道显示，利用4纳米分辨率的X射线显微镜已能观测先进计算机微芯片的内部结构，但即便达到纳米尺度，仍不足以分辨原子或电子。那么，我们究竟如何发现电子的？
1858年，英国物理学家普吕克尔在真空管中施加高电压，发现管内阴极发出的不可见射线在阴极对面玻璃管壁上出现神秘的绿色荧光，当时其本质尚不明确。面对争议出现了两派，一派以德国科学家赫兹为首认为这是一种电磁波，另一派则认为它是一种带电粒子流。为揭示阴极射线的本质，汤姆森后续做了非常精细的实验，利用电场和磁场来对阴极射线的偏转行为进行了测定，发现这是一种带负电的粒子，其荷质比数量级为10¹¹。再后来密立根通过油滴实验进一步确定了电子的质量。但是仅知道电子的电荷和质量还远远不够的。
自旋无处不在
1896年，物理学家塞曼观测到钠原子在磁场下的光谱会分裂成三条，这就是著名的塞曼效应。第二年，普雷斯顿在锌和镉原子上做了类似的实验，但他发现谱线分裂不像钠原子那么简单，会呈现出反常的谱线分裂，当时这困扰了物理界二十多年，那么最终是怎么解决的呢？
1925年荷兰两位非常年轻的物理学家乌伦贝克和古兹米特大胆假设电子也许是个自转的带电小球，很好地解释了刚才那个反常的谜团，这就是著名的电子自旋假设。但是如果将如此小的电子（远远小于1飞米= 10-15米）自转起来，在经典物理背景下去计算电子表面的线速度会远远超过光速，违背物理学基本原理。所以电子自旋并不是自转的电子，而是电子的内禀属性。
零场核磁共振
在医院体检或检查时，我们常会遇到核磁共振成像设备。许多人可能还不了解，其实核磁共振就与自旋密切相关。实际上它正是通过检测人体内水分子中氢原子核自旋的信号来实现疾病诊断的。传统核磁共振技术倾向于朝着高磁场方向发展，因为磁场越高，成像通常越清晰。然而，为实现高磁场，需使用超导磁体，这随之带来了一系列问题：成本高昂、设备笨重、磁场分布不均以及安全隐患等。
《环球科学》曾报道过一则事故：一位丈夫在陪同妻子进行核磁共振检查时，因距离设备过近，脖子上的金属链被强力吸附于磁体上，最终导致不幸身亡。这一案例警示我们，核磁共振的安全性问题不容忽视。
为了提升安全性，我们考虑如何消除对超导磁体的依赖性。因此我们发展了零场核磁共振技术，在甚至没有磁场的条件下，也能够进行核磁共振检测。该技术不仅成本更低，安全性也显著提高，可应用于分子结构分析、金属内部水成像、手指成像及脑成像等多个领域，给那些佩戴心脏起搏器的特殊人群带来了福音。
近期，我们利用零场或超低场磁共振技术，在单次测量中成功观测到自然丰度仅为十万分之一的分子结构。在这一过程中，我们采用了碱金属原子蒸气（如钾原子、铷原子）。由于碱金属最外层存在一个未配对电子，利用其自旋与磁场的相互作用可以探测被测磁场的信息。基于此原理，已经构建了目前世界上最灵敏的弱磁探测设备——原子磁力仪。经典磁通门磁力仪的灵敏度通常在纳特斯拉（10-9 T）量级，而原子自旋磁力仪可达亚飞特斯拉（10-15 T）量级，表现出极高的探测灵敏度。
在进一步研究中，我们在碱金属原子气室中注入惰性气体（如氦、氙、氖）。由于惰性气体最外层电子已满，不提供电子自旋，但其原子核可提供核自旋。在这一特殊体系中，通过碱金属原子和惰性气体原子的碰撞相互作用与信息交换，我们首次发现了核自旋的磁场量子放大机制，能将待测磁场量子放大两个数量级以上，例如从1飞特斯拉放大至100飞特斯拉，大大提升了探测灵敏度，从而更有效地探测弱磁场。基于此，我们开发出国际领先的核自旋弱磁探测器。
基于原子核自旋的弱磁场精密测量方面，我们持续优化技术以提升灵敏度。在精密测量领域，灵敏度每提高一个量级，往往伴随新物理现象与新应用的发现。经过十余年努力，我们已将灵敏度提升至0.8 fT/√Hz的亚飞特斯拉水平。我们的目标是利用原子或其他量子体系的特有量子资源突破经典测量极限，推动基础科学研究，并将技术拓展至更多应用领域。
暗物质的研究历程
回到最初的问题，宇宙由什么构成？它其实不是原子，而是暗物质。粒子物理的标准模型是20世纪物理学最成功的理论之一。它描述了构成我们所知的物质世界的基本粒子以及其相互作用。例如，所知物质由原子构成，原子由夸克和电子构成，而光子再这些基本粒子之间的交换产生了电磁相互作用力。这一理论是我们理解物质微观世界的重要工具，能够正确地解释几乎所有的实验现象。在所有发现的基本粒子中，与粒子物理标准模型相关的研究历史上共获得了18次诺贝尔奖，充分说明了其重要地位。那么它到底是不是一个完美的理论？能否解释我们目前观测到的所有现象？
让我们先思考一个问题？银河系的旋转速度如何分布？靠近中心与边缘区域的角速度一样吗？以太阳系为例，根据牛顿万有引力定律可计算，旋转速度与离中心距离的平方根成反比。那么银河系的旋转速度是否会随离中心距离的增加而递减呢？
20世纪70年代，美国天文学家薇拉·鲁宾测量了星系的旋转速度，发现星系边缘的旋转速度并没有像牛顿万有引力定律理论预期的那样大幅度减小，而是仍保持非常高速的运动，这是为什么？如果星系外侧的旋转速度过快，超过了牛顿万有引力定律的预测，恒星将因离心力过大而脱离星系束缚。但为何它们并未飞离？若假设星系总质量更大，问题便得以解决，科学家由此推测存在暗物质。
暗物质存在的第二个天文学观测证据来自子弹星系团的引力透镜观测。引力透镜效应是指光线经过大质量天体（如星系、星系团或黑洞）附近时，会像通过透镜一样发生弯曲，光线弯曲程度与天体质量相关，从而可探测星系中的质量构成。在两个星系团碰撞过程中，通过X射线观测的普通物质（红色区域）和通过引力透镜效应观测的暗物质（蓝色区域）表现出不同的动力学特征，普通物质的运动由于电磁相互作用明显滞后于暗物质。该星系团的暗物质与普通物质空间分离现象被视作暗物质存在的另一个证据。
还有一个重要的天文学观测——宇宙微波背景辐射的发现，也给出了暗物质存在的直接证据，甚至给出了暗物质的比例。这个源于一个非常有意思的故事。20世纪60年代，两位工程师阿诺·彭齐亚斯和R.W.威尔逊在调试他们搭建的接收天线系统时，发现信号中始终存在无法消除的噪音干扰，他们排查了所有可能的仪器设备问题却未能找出原因。一年后，他们和天文学家进行交流，才意识到这一噪声来源于宇宙本身——正是天文学家一直在寻找s的宇宙微波背景辐射。这一发现使他们荣获1978年诺贝尔物理学奖。《三体》有一句经典语录：“整个宇宙将为你闪烁”，其中涉及的就是宇宙微波背景辐射。
暗物质到底是什么？
当我们在仰望星空，其实只看到了宇宙的冰山一角。粒子物理的标准模型只能解释宇宙中5%的物质，而剩下的95%我们一无所知。但是我们知道暗物质是存在的。所以暗物质到底是什么？
数十年来，各种的天文观测结果都明确地支持暗物质的存在，但是只有现象，而不是看到暗物质本身，所以这个问题一直困扰科学家。在2005年，《Science》为纪念该刊创刊125周年出版了125个科学难题的刊物，其中No.1的问题就是宇宙是怎么构成的？为了解释暗物质是什么，理论学家提出了暗物质可能是由一种或者多种超越标准模型的新粒子组成。因此，如果能探测到暗物质，就表明我们打开了一扇通往新物理的大门。然而，实验上寻找暗物质是极具挑战的，第一是因为它的能区范围广，第二是因为它的信号极其微弱，因为只可能存在非常弱的弱相互作用。现在理论上预期一些比较重要的暗物质候选粒子，如弱相互作用重离子（WIMP)，被认为是离子质量比较大但是相互作用很弱的假想粒子。还有比如轴子（Axion）、类轴子、暗光子等超轻的暗物质候选粒子。
为了看到暗物质，我国开展了包括对撞机实验（如LHC、BESIII等），空间实验（如DAMPE、AMS等），地下实验（如PandaX、CDEX）等多种研究计划，但是目前尚未发现暗物质的直接证据。
以往研究主要集中于暗物质高能区以探测暗物质的粒子性，而当前我们转向低能区暗物质以探索其波动性。基于量子精密测量技术，当自旋遇到暗物质时，由于其相互作用会发生能级分裂，等效于在自旋上产生一个赝磁场，如果能够探测到该赝磁场的存在，我们就观测到了暗物质。这样的方法可以采用原子或者分子体系进行实验，无需依赖大型仪器，在实验室中就能进行，从而提供了一种桌面式、低成本且高精度的探测途径。
之前的天文学观测可以看到什么？在天文学观测方面，利用超新星爆炸的数据，以暗物质质量横轴，以其与普通物质（如光子）耦合强度为纵轴进行分析，耦合强度越弱，探测难度越大。受到测量精度的限制，在耦合强度高于约10^-8的区间内，天文学观测无法获得有效数据，因而难以判断暗物质是否存在。然而，我们利用自旋探测的方法，将探测界限降低了两个数量级，在该区间内仍未发现暗物质存在的迹象，这是我们四年前的实验所得结论。为了进一步寻找暗物质的踪迹，我们启动了“蓝宝石”暗物质探测计划（SAPPHIRE）。就像之前利用微波激射技术放大信号以探测宇宙微波背景辐射一样，我们希望利用自旋放大技术增强暗物质信号。通过将单个探测器拓展到多个，从而构建探测器网络，我们能够进一步提高磁场探测精度、降低误报率，并减少探测盲区。这一思路类似于国际大科学工程 “平方公里阵列（SKA）”——该巨型射电望远镜阵列的探测精度较最优单口径望远镜提升了50倍。
我们课题组去年在苏州和哈尔滨两个城市之间（相距1700公里左右）搭建了量子自旋传感器探测网络，建立了目前最严格的地面暗光子暗物质实验约束，将国际指标提升了三个数量级。“蓝宝石”计划和PandaX和FAS等项目一起被国际权威网站AxionLimits收录。未来，我们计划在中国空间站开展实验，启动名为“昆仑计划”的空间探测项目。昆仑山在中国传统文化中被视为连接天地的桥梁，象征着对知识与智慧巅峰的不懈追求。我们亦期望借此攀登科学高峰，探索暗物质的奥秘。
新闻来源：墨子沙龙