暗物质：寻它千百度未在阑珊处

航天 · 2016-10-31 15:30:33

艺术家笔下暗物质的抽象图核心提示：“ 夜晚的黑暗是一只口袋，一只装满了发出黎明金光的口袋。”印度诗人泰戈尔在《飞鸟集》中的这句诗想表达，我们要从黑暗中寻找黎明的金光。而今天，科学家们用自己的实际行动在光明中寻找“黑暗”，它就是被誉为“宇宙幽灵”的暗物质。12月17日，我国在酒泉卫星发射中心用长二丁火箭发射升空的暗物质粒子探测卫星“悟空”，就是带着这份使命前行的。那么，什么是暗物质？找到它到底有多难？探索它又有何意义？暗物质为何物：请不要相信眼睛“千万别相信你的眼睛，有些东西不是用眼睛就可以看到的。”空间科学专家常进研究员在接受媒体采访时，说起暗物质就像在说一个既亲切又陌生的老朋友，即使这位“老朋友”从未、也根本无法“谋面”。很多人对这位看不见的“老朋友”最直观的认识是来自科幻作品。比如在电影《变形金刚》中，有一辆由暗物质驱动进行星际航行的飞船；在前不久斩获世界科幻文坛最高奖的小说《三体》里，暗物质是太阳系遭受高级外星文明攻击后的隐形残骸；热门美剧《生活大爆炸》里的男主角“谢耳朵”赶时髦地转行研究暗物质……事实上，用“沉默的大多数”来形容暗物质一点都不为过。若把宇宙想象成一个圆，那么这个圆的最大部分是暗能量，占比68%，这是加速宇宙膨胀的一种神秘力量。另外27%是暗物质，这种神秘的物质围绕着星系而存在，并通过引力相互作用，不参与其他电磁作用。剩下的5%才是我们常见的物质。在宇宙中占比最多的东西反而是人类最难了解的，这无疑为天体物理学的天空蒙上了一层“乌云”，这些“沉默的大多数”就像披上了一件神秘的隐身衣让人对其无从下手。“在宇宙中，我们能看见的物质都因为其带有电子能‘发光’，就像我们触碰一张桌子、一面墙，感觉到它们的存在是因为有电磁场的相互作用。与此不同的是，暗物质是不带电荷的，也没有电磁场的相互作用，却能像幽灵一样穿透阻碍物，不着痕迹地从身边飞走”，常进这样向“入门级”天文爱好者描述暗物质是不无道理的，因为据资料显示，每秒大约有上亿个暗物质粒子穿透我们的身体，其运动速度为220公里/秒，是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。由于它们太弱又速度太快，导致人体的感知系统无法感应它们的存在。然而，科学家们却无法“跟着感觉走”而忽视它们的存在。为了拨开这层被人们比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”，世界各国的科学家从20世纪30年代至今，从未停止过对暗物质的探索。虽然目前还没人知道它到底是什么，但它一旦被发现，就可能颠覆人类对宇宙的认识与了解……暗物质是否存在：它并不只是个传说也许你会说，既然暗物质凭借肉眼看不见，即便是借助工具也检测不到它，又凭什么说它真的存在？有没有可能它根本就不存在，就像传说中的龙一样？事实上，目前我们所知道的大量事实都证实暗物质真的存在。比如，荷兰科学家奥尔特在1932年根据银河系恒星的运动，提出银河系里面应该有更多的质量，并提出了暗物质的假说。1933年，美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基使用维里定理推断出宇宙中也许有看不见的物质……随意翻开一本关于暗物质的书籍就可以看到这样一段介绍：支持暗物质假说主要的观测证据之一是旋转曲线，即在研究漩涡星系时，科学家发现，其吸引力所需要的质量远远超出我们所能观测到的物质总量，否则行星就会冲破引力的束缚飞向茫茫宇宙。以此来进一步推断，在人类已知的物质之外，可能还有另外一种物质存在。“当然，寻找暗物质的方法并非只有一种。比如，引力透镜的一些发现也支持着暗物质假说的成立。”专家冯磊在接受媒体采访时表示，因为暗物质既不发射光子，又不吸收或散射光子，也不参与电磁作用，因此，对于这样一种走“高冷”路线的物质，目前人们只能通过引力产生的效应感受它的存在。“然而，世界上的确有很小一部分物理学家提出，可能是引力理论不完善，不存在暗物质。我个人认为存在暗物质的可能性更大，当然修改引力理论的努力也值得鼓励和支持。”专家范一中诚恳地说。从某种意义上说，人类对暗物质的研究，有点像中国古老寓言里“盲人摸象”的过程：因为无法感知眼前那个庞然大物到底是什么，所以只能各展神通地去“触摸”。然而，到底孰对孰错？唯有一次次尝试。如何找寻暗物质：如音乐会上辨别蚊子声曾经有一位国内的物理学家把暗物质比作宇宙中的“雾霾”，地球则是在“雾霾”中行驶的汽车，“雾霾”中的颗粒撞击汽车就会发出“响声”，探测实验任务就是把这种“响声”记录下来。目前，探测实验的主要困难就是宇宙射线以及地球上无处不在的放射性，要尽最大可能排除其对实验本身的干扰。用这位物理学家的话说，就是去掉汽车和周边环境产生的各种声音。暗物质的“声音”到底有多小？“就好像听众坐在第一排听音乐会，还要听清30米外一只蚊子的嗡嗡声。”这位物理学家比喻说。“由于目前世界上没有人确定暗物质是什么，所以现阶段开展的探测手段大概有3种：一种是模拟宇宙大爆炸。主要是通过加速器进行探测，即通过高能粒子对撞模拟宇宙大爆炸时的情景，把暗物质制造出来；第二种空间间接探测，即探测暗物质湮灭或衰变所产生的伽马射线或宇宙射线；第三种是直接探测，即探测地球附近的暗物质粒子与普通物质极其罕见的碰撞所产生的一些信号。它们相互互补，缺一不可。”范一中认真地回答。为了探测和感知暗物质，前沿探索领域的科学家们可谓是煞费苦心，“上天入地”苦苦追寻。阿尔法磁谱仪（AMS）是目前世界上公认的灵敏度最高、最复杂的一台暗物质探测设备。中国航天科技集团公司共为阿尔法磁谱仪项目研制了3个永磁体主结构件，一个是地面试验件，用于各种复杂情况下的地面试验验证；一个是飞行件，该飞行件已经在1998年搭乘美国发现号航天飞机往返了一趟国际空间站；还有一个飞行件则是用于进行破坏性试验的，是为了验证即使固定每个磁单元的胶上天后失效，整个磁铁也能正常工作。“特别是第二个飞行件，在AMS-01上天后回到地面，再到AMS-02上天，相隔了13年。在这13年里，磁铁的磁场变化小于1%，非常稳定。”美籍华人物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中多次表示，如果没有中国航天，就不会有阿尔法磁谱仪项目。2013年，丁肇中率领的研究团队宣布，阿尔法磁谱仪发现了“弱作用重粒子”存在的证据，而“弱作用重粒子”就是一种暗物质的候选体，这意味着人类向认识暗物质的方向前进了重要的一步。缘何寻找暗物质：越弱越暗越美丽曾经称暗物质是“越弱越暗越美丽”的中山大学天文与空间科学院院长李淼认为，科学有两种功能，一种是价值观的贡献，是满足人类对世界的好奇心和探索、解释的欲望。另一种则是从科学引发出来的技术，确实在改变着普通人的生活。其实，对暗物质的探索基本上是属于前者。“如果没有暗物质，恒星、星系就不会形成，没有它，就没有人类。暗物质的发现，完全就像给人类打开了一扇未知的门。即便我们发现了暗物质，还有很多等待我们发现的新东西。寻找暗物质这件事本身就是一件很幸福的事情啊。”李淼说。换而言之，当年，爱因斯坦也想不到量子力学和相对论有什么应用价值，但是今天我们每个人用到的手机等通信设备，哪一个离得开这些科学发现？所以，无论是大型强子对撞机还是阿尔法磁谱仪，目的不仅仅是寻找暗物质或反物质，还有很多是为了科学研究和推动人类进步。杨振宁先生曾对暗物质作过如此表述，所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面可能引出基本物理学中革命性的发展，假如一个年轻人，他觉得他一生的目的就是要做革命性的发展，他应该去学天体物理学。21世纪初，在美国国家研究委员会的一份报告中，“什么是暗物质”被执笔的科学家们列为新世纪要解答的11个科学问题之首。科学家对它孜孜不倦地探寻，必将推动人类离这个答案近一步、更近一步……（杨蕾）

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