天问专栏：撼动宇宙的小粒子——中微子(5)

你也许听说过另一种宇宙背景辐射，宇宙微波背景辐射，它和中微子背景辐射的原理类似，是与电子分离后的光子在宇宙中自由穿行。然而微波背景来源于宇宙诞生后约38万年，远远晚于中微子背景。

今天，这些来自宇宙初期的中微子无处不在地填满了宇宙的各个角落，你的一杯水中就有几千个宇宙中微子。可惜的是，我们无法像探测太阳中微子一样探测这些宇宙中微子，因为它们的能量实在太弱了，根本就无法“撞”动我们探测器中的原子核[3]。

宇宙中微子和其他来源的中微子能量对比，图片来源：Ulrich F. Katz and Christian Spiering（2012）

于是科学家们脑洞大开，试图用整个宇宙来做这些中微子的探测器。这次，我们利用的不是中微子的弱力作用，而是它们的引力作用。

我们今天看到的星空中的各种星系和星系团，是宇宙中物质引力作用的结果。而冷暗物质占了所有物质的85%，所以对宇宙的演变有决定性作用。冷暗物质不具有电磁力和强力，只通过引力相互作用（不过我们尚不知它们是否有弱力）。宇宙初期，物质分布只有微小的不均匀。在宇宙膨胀后，在冷暗物质的引力作用下，密度高的地方吸进越来越多的物质，密度低的地方则变得越来越空旷，于是这些不均匀慢慢变得越来越明显。宇宙中密度最高的地方便形成了我们所熟悉的星系和星系团。

电脑模拟宇宙中物质分布的演变过程。左上角为134亿年前的远古宇宙，右下角为今天的宇宙。图片来源：Andrey Kravtsov and Anatoly Klypin

作为“热暗物质”，宇宙中微子可不像冷暗物质那么乖乖地就往高密度的地方走。由于它们产生于宇宙初期极端高温时期（约300亿摄氏度！），宇宙中微子拥有非常高的动能，所以即使路过高密度区域，仍然可以轻而易举地逃逸掉。冷暗物质就像我们和周围大部分的家具一样，因为没有什么初始速度，便牢牢地被地心引力绑在地面上。而宇宙中微子就好像马斯克的特斯拉轿车一样，凭借着猎鹰重型火箭的强大推动力，逃脱地心引力，冲向太空。

下面的对比图显示了1.9eV中微子（左图）和零质量中微子（右图）的两个宇宙中，可见物质的分布[4]。红色是高密度区域，蓝色是低密度区域。非零质量中微子的存在，仿佛在宇宙的“国画”上泼了一层墨，把细线都晕开了。也正是对宇宙中这些大尺度结构的观测，让我们有可能去限制中微子的具体质量。