我们所熟悉的物质都是由粒子(particle)组成的。古希腊人就提出，物质都由原子组成，每一类原子的性质都是相同的，这种观点在20世纪初得到证实。后来，原子被进一步分成电子、质子、中子等组分，质子、中子又进一步被分成夸克、胶子等，但总之，是分成一些粒子，而已知粒子的种类是有限多的，每一种粒子有共同的静止质量，比如所有的光子静止质量为零，所有电子的静止质量是0.511 MeV/c² 等等。

那么，世界上有没有可能还存在着其它的物质，不是由我们现在所说的粒子组成的呢？比如说，有没有可能存在这样的物质，它们的基本量子并没有固定的质量呢？我们所熟悉的普通物质肯定不是这样的。然而，是否有可能存在这样的物质因为难于探测而还没有被发现呢？

去年3月，著名的物理学家，哈佛大学教授Howard Georgi 发表了一篇论文，提出了可能存在这种非固定质量颗粒的猜想，并给它起了个响亮的名字，叫非粒子(unparticle)。 Georgi 进一步讨论了这样的非粒子应该具有怎样的性质才能与现有的各种实验观测不发生基本矛盾，以及如何在理论上描述它。 他设想这样的物质具有在标度变换下的不变性，也就是说，这些物质的量子没有固定的（静止）质量，而是可以有不同的静止质量。这些具有各种不同质量的量子的相空间密度则与其质量成幂次关系，具有较高质量的量子其相空间密度则较低。他指出，Banks 和Zaks 1982年曾提出过一种重整化群具有非平凡红外不动点的场，如果这种场与普通的物质场通过交换一个很重的粒子而相互作用，那么当相互作用能量远小于交换粒子时，它的行为就如同这种“非粒子”。非粒子场的场量具有量纲d_U ,一般认为d_U 是个值在1到2之间的参数。

非粒子的概念提出后，几个月里竟出现了上百篇有关的论文。之所以出现这么多论文，一方面与Georgi 本人的显赫声望有关（他曾担任哈佛物理系系主任，最著名的工作是与格拉肖一起提出第一个SU(5)大统一模型，以及与Dimopoulos 一起提出超对称标准模型，他的《粒子物理中的李代数》一书长期以来一直是物理学家学习李群和李代数的标准教材），另一方面也由于这个想法比较简单容易入手，一经提出后无须掌握太复杂的理论就可以从唯象的角度加以研究，讨论如何用各种粒子物理实验过程检验这种可能性等等。这很类似过去Arkami-Hamed, Dimopoulos, Dvali 提出额外维度理论时的情景。当然，这么热烈的跟风也不免让人觉得物理学家们有点过分赶时髦。
从上述非粒子的特点看，非粒子有些特点适合作为暗物质，例如它与普通物质相互作用很弱。也有些人把WIMP 暗物质丰度的理论移植过来讨论对非粒子模型的限制：根据其相互作用强度，其热退耦的时间不同，决定其丰度大小，等等。

去年十月中旬，我读到台湾大学何小刚教授的小组在网上发表的一个论文预印本(该文的第一作者Chen Shao-Long，系何小刚教授的博士后，由于不知道其中文名字，以下我将此论文姑称之为何小刚组论文)，讨论了非粒子气体的统计力学。通常粒子的4－动量满足质能关系，因此在4动量空间里有一个Dirac Delta 函数约束，使其4－动量平方等于质量平方。对于非粒子没有这种约束，但可以假定其具有某种分布，一般都把动量空间密度中的Delta 函数替换为一个幂次函数，幂次为d_U-2.在讨论粒子碰撞过程中可能产生非粒子的时候，也常假定这种模型。何小刚的小组对满足这一相空间分布函数的非粒子气体的统计力学进行了研究，导出了其密度、压强、熵等热力学量的表达式。这一论文对我很有启发，因为根据密度ρ和压强p的表达式，可以很容易地导出非粒子气体的状态方程参数w=p/ρ, 根据他们的结果，w=1/(2d_U+1)，这与普通物质明显不同，普通物质气体在较低的温度下这个w 很小，可近似为0。 我立即意识到，可以利用宇宙学观测数据对非粒子气体的这一性质进行很强的检验。实际上，上述论文也提到了这一点，但显然由于何小刚教授主要做粒子物理研究，以前没有做过宇宙学方面的检验，因此他们并未立即动手做这一研究，而我们有做这方面的经验，做这一研究可谓驾轻就熟。

宇宙学检验的方法有很多种，我们这里考虑的主要是用超新星数据的检验，其基本原理是，不同状态方程的物质，随着宇宙的膨胀其密度演化的规律有所不同，这又反过来影响宇宙膨胀速度发生变化。Ia 型超新星的光度基本相同，可以作为标准烛光，因此通过观测其表观亮度可以决定其距离，进而限制宇宙膨胀速度的变化，反过来可以限制宇宙中物质组分的状态方程。我自己在用超新星检验宇宙学模型的工作，最早是在2003年与一位德国人 Dirk Puetzfeld 合作研究了用超新星检验Einstein-Cartan 引力模型，在Einstein-Cartan 引力中，时空的挠率不为零。回国后，我指导研究生巩岩继续开展这方面的工作。巩岩用了一年多的时间，从头写出了一整套用于宇宙学参数拟合的程序，使用的数据包括超新星、微波背景辐射、大尺度结构、伽玛爆、X-射线星系团气体含量等，目前还在增加引力透镜数据，用Markov Chain Monte Carlo (MCMC) 方法获得对模型中的多个参数的限制，可计算AIC、BIC、Bayesian Evidence 等信息判据，并可自动完成作图。我们在仔细检验了这一程序后，着手用它研究一些宇宙模型。我们讨论的第一种模型是双组分暗能量模型：我们所熟悉的标准模型里的物质，虽然仅占宇宙总密度的不到百分之五，却有很多种不同成分，那么自然的暗能量也可能具有不止一种成分。我们研究了其具有不同状态方程的两种组分的可能性，发现这一模型与超新星数据符合得不错，虽然我们还不能由此断定暗能量一定有两种组分，但这种可能性也是很值得考虑得。

当我看到何小刚组的论文时，巩岩刚完成上述双组分暗能量论文（后来在Physical Review D 上发表），正可以开展一项新的工作，因此，我就把这篇论文交给巩岩，让他读一下，看看是否可以用超新星进行检验，我随即去外出开会去了。进展之快出乎我的意料，一个星期后我开完会回来时，巩岩告诉我他已经完成了检验，发现可以得到对unparticle 很强的限制：如果unparticle 就是暗物质，那么d_U 必须取值在几十以上，这和一般假定其数值在1到2之间有很大差异。 我让巩岩再算一下，如果非粒子的d_U还是如一般假定的1到2之间，但非粒子不是唯一的暗物质成分，而是还另有其它冷暗物质，那么它最多能占宇宙总密度的多少？这也很快完成了：大约占宇宙总密度的百分之几而不会再多。这样，我们基本否定了非粒子作为暗物质主要成分的可能性。到十一月初，我们已写出了论文初稿。 工作之所以进行得如此迅速，一方面是因为巩岩是个很优秀、勤奋的学生，另一方面也是因为我们手头有合适的工具，把程序稍做修改就可以转而进行这项工作。

但是，对于这一工作我也有点疑虑。当时，我们主要是根据何小刚组论文的结论，对于unparticle physics 本身，我们当时并未深入调研，甚至他们这篇论文的中间推导过程也没有仔细了解。因此，我也不敢完全肯定自己的理解是否正确。恰逢KITPC (Kavli Institute of Theoretical Physics in China) 举办 string cosmology 的活动，在那里我几乎每天都可以见到主持者李淼教授，因此向他请教了一下。李淼兄对这一结果有所怀疑，他从热力学的一些基本关系出发，觉得非粒子既然具有标度不变性，那么应该和同样具有标度不变性零质量粒子一样，其状态方程参数应该是1／3。当然，如果是这样，它的行为就象我们一般所说的热暗物质，我们也同样能导出对它的密度的宇宙学限制，虽然无法限制其d_U 参数。

我又和何小刚教授用email 进行了讨论，同时自己也仔细阅读了他们的论文，最后我觉得他们的结论还是有说服力的。这一动量空间密度形式的确是一般大家都假定的形式，与标度不变性相符，之后的推导则是标准的统计力学，无可挑剔。这样，十一月底我们写成论文投给了Physical Review D.

出乎我的意料，审稿意见很快就回来了，拒绝发表我们的论文。拒绝的理由：第一，我们的论文正确与否取决于何小刚组的论文是否论文是否正确，但该文目前还在审稿中，因此无法判断是否正确；第二，审稿人认为我们的工作（用超新星数据拟合）很简单，谁都能做，没什么意义，第三，我们所使用的计算程序仅在前面提到的双组分暗能量模型程序中提到过，而该文尚未发表，因此不足以做为依据。整个评审意见的口吻比较傲慢。

这些拒绝的理由在我看来是非常奇怪的。首先，审稿人应自己判断何小刚组论文的正确与否。退一步说，如果不能判断，应待何组论文的审查结果出来再决定，而他却干脆以此为由将论文彻底拒绝，这是不合理的。第二点，当然现在用超新星拟合宇宙学模型的论文很多，我们也没有说这是我们独创的方法。我们的创新点在于结果：用这个方法得到的对unparticle 的限制，而审稿人却对此视而不见（实际上，超新星数据拟合原则上虽然简单，但实际做起来仍要花点功夫）。最后一点又与第二点相矛盾：如果超新星拟合方法这件事这么简单，那么审稿人又为什么对我们的程序如此不信任呢？何况此时我们的双组分暗能量论文此时已被接受发表，只是还未刊出而已。

本来，我想与此审稿人打这个官司，因为他的这几点理由不难反驳。但是，两个原因使我决定另投它刊。一个原因是，该审稿意见的语气很傲慢，难以心平气和的与之讨论，而编辑根据这样一个在我看来并不合理的审稿意见，竟直接退稿，口气也很强硬，没有要征求我们的意见的意思，这也使我对此编辑无法信任。我感到，即便我们驳倒这些理由，或提供更强的证据，该审稿人和编辑很可能出于个人的偏见仍不让我们发表，或者需要多耗很多唇舌。另一个或许也是更重要的原因是，此前我的大部分粒子宇宙学论文发表在Physical Review D 上，我几乎没有向其它物
理类杂志投过稿。我也想感受一下其它的物理期刊，因此决定试试别的杂志。

我决定试投 European Physical Journal C, 这是欧洲的主要粒子物理杂志(Physical Review D 是美国的)。由于这期间我还有一些别的工作，特别是巩岩在此期间也又做了两个不同的工作，一个是关于用超新星限制暗物质衰变为中微子，一个是关于全息暗能量的，因此我们的论文修改稿（主要做了格式和一些文法上的修改）拖到3月份才完成，我们也把此文放到了网上。此后不久，何小刚组的论文也终于被接受发表了(PRL)，这对我们的论文来说当然也是有力的支持。

6月份我们收到了新的审稿意见，这个意见也是否定性的，但我感到这次的意见是善意的。审稿人主要是觉得我们的工作好像很简单（因为我们只是把以前的程序略做修改），似乎又没有什么明确结论，因此建议我们补充新的内容。我们在回复中，一方面按照审稿人的意见做了一些小修改，并添加了用重子声波振荡方法的检验，另一方面着重改进了论文的表述，更清楚地说明，我们的结论否定了一般所说的非粒子是暗物质主要成分的可能性，因此本身就很有意义。审稿人即改变了观点，同意我们的论文发表。

非粒子是一个很有趣但很可能最后被证明不成功的想法。正如我在《科学研究如探路》一文中所写的，绝大部分这类的研究论文最后得不到什么肯定的结果，但这是没有办法的。我们如何知道世界不是由这样古怪的东西构成的？唯一的办法就是去研究并证伪它。

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