暗物質，藏著多少秘密？ 周刊06－新思 新知－解放日報

我國兩支實驗團隊正在四川尋找暗物質蹤跡

---

IC圖

IC圖

　　本報記者 章迪思

    繁星點點的夜空，總讓人聯想到浩淼的宇宙。但從另一個角度來說，我們「看得見」的宇宙，僅僅占宇宙物質總量的一個零頭——大約5%，剩下的那些，是我們看不見的東西，暗物質、暗能量……這些也正是過去幾十年來，全世界科學家孜孜以求的東西。宇宙之大，讓每個如你我般的平凡人嘆為觀止，但是，一想到我們生活在一個多半連看都看不見的宇宙里，卻毫無辦法，總讓人感覺不是滋味。

    日前，華人物理學家丁肇中主持的阿爾法磁譜儀（AMS）項目發現了可能是暗物質的有力證據。或許可以樂觀地期待，人類終有一天，將窮盡那個看不見的世界的秘密。

什麼是暗物質？

    1932年，荷蘭天文學家奧爾特通過對銀河系中恆星的運動推測銀河系應該有更多質量。然而，這一觀點在當時被認為是錯誤的。直到20世紀60、70年代，天文學家發現，多數渦旋星系的轉動速度大於理論計算的數值。一個最簡單的原因是，這些星系含有很多不可見的質量。大量看不見的物質，提供了更多引力來維繫星系。

    現在，科學家對暗物質的定義基本形成了共識：它只參與引力作用，但是不發光，不參與電磁的相互作用，不是目前我們已知的任何一種粒子——甚至它究竟是不是粒子也沒有最終定論。儘管科學家們盡了最大的努力，但目前為止，仍沒有在地球上觀測到或者是創造出一個真正意義上的暗物質粒子。

    「如果暗物質真的存在，它不止在太空或地層深處，它就在我們身邊，地球的任何一個角落。」中科院理論物理研究所研究員李淼將暗物質形容為黏合宇宙萬物的「膠水」，因為如果沒有暗物質，物質之間，尤其是天體之間的引力，將無法保持恆星和星系之間的聚集，星系早就分崩離析了。但這團「膠水」所產生的凝聚力卻又如同空氣般「潤物細無聲」。

    暗物質無處不在，又彷彿是一場「虛空」，但又至關重要。甚至從某種角度來說，如果沒有暗物質，恆星不會存在，就不會有太陽系，基於DNA雙螺旋結構的生命又會在哪裡出現？就算有生命，會不會進化出人類？

為何尋找暗物質？

    「我們人類對宇宙的認識太有限了，只不過是它『可見』的百分之幾的部分。所以，如果暗物質、暗能量之謎能夠得到破解，人類的知識體系一定向前大大地推進。我雖然沒有辦法在今天就明確地指出暗物質的發現和研究究竟能給人類帶來怎樣的『好處』，但歷史經驗一再證明的事實是：知識體系的巨大突破，必然會使人類生活面臨更多的可能性。」國家天文台宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家陳學雷這樣認為。

    在19世紀末，曾經有人將「以太說」和「黑體輻射」形容為物理學晴空中兩朵令人困惑的「烏雲」。但恰恰是這兩朵「烏雲」，催生出了相對論和量子論。理論物理向前推進的一大步，為我們今天高科技生活的一切細節奠定了基礎。

    或許正如李淼所樂觀估計的那樣：「如果說，我們這一代人，有可能在活著的時候親眼看見物理學家解開暗物質之謎，大概不會太離譜。 」

暗物質的美麗，常人不懂？

    幾乎可以肯定的是，在暗物質領域，將陸續出現更多的發現和見解；幾乎同樣可以肯定的是，這些發現和見解是我們大多數人所無法理解的。

    對於大多數非專業人士來說，現代物理學愈發成為一個不可想像的世界——用看不懂的字眼，描述不可觸及的世界。澳大利亞天體生物學中心自然哲學教授保羅·戴維斯曾在《自然》雜誌說，「非物理學家幾乎不可能區分你是合乎常情的怪人，還是徹頭徹尾的瘋子。」看起來，現代物理學正離「合乎常情」這條路越來越遠，那麼它和我們普通人又有什麼關係呢？

    早在今年4月丁肇中團隊發布觀測結果之後的第一時間，李淼接受了許多國內媒體的採訪，不約而同地，所有的記者都問到這個問題：「它有什麼現實意義？ 」李淼的回答也很直接，「與人類暫時沒有直接意義。 」

    那麼，怎樣的研究才有現實意義？一定要「立時三刻」產生經濟效益，成為市場神話才行？一定要讓我們吃得到、用得上才行？

    寫到這裡，不由想起幾年前上海師範大學天體物理聯合研究中心教授李新洲在接受本報記者採訪時說的話：「在大多數現實的人看來，某種粒子存在與否與碗里有多少肉無關。但這並不成為我們放棄純科學研究的理由。 」

    純科學研究離不開研究者追根問底的好奇心的驅動，離不開人類對未知的本能追問。而這種好奇心與本能，是任何一個文明社會都提倡的人類品質，也是人類社會不斷前進的原動力之一。就暗物質而言，它追問的是宇宙從何而來，這也是人類在能力所及範圍內，對世界、生命存在的一種叩問。

「上天」「入地」捕捉暗物質

上天：AMS項目

    丁肇中教授所領導的涉及16個國家、500多名科研人員的AMS項目，目標是在太空中搜尋多餘的「正電子」，而它可以被視作暗物質存在的有力證據。

    「宇宙中正電子的主要來源是宇宙射線。但宇宙射線所產生的正電子的多少是非常有規律的。所以如果實驗能發現超出這個規律的『多餘』的正電子，那它就有可能來自暗物質。 」科學家這樣解釋。在將阿爾法磁譜儀放入太空一年半之後，丁肇中團隊真的找到了大量多餘的正電子。

    當然，這些多出的「正電子」並不一定來自暗物質。業內人士估計，如果丁肇中的團隊能在接下來的數據完善中發現正電子數量的峰值，暗物質是否存在就會有更明確的答案。

入地：PandaX和CDEX

    除了在太空中搜尋間接證據，還有很多國家的科學家潛入地下，他們企圖直接捕獲暗物質，以尋找暗物質存在的直接證據。

    在四川錦屏山2000多米深的地下實驗室，目前正在同時進行兩項實驗。一個是上海交大牽頭的PandaX項目，該研究嘗試以氙原子核為「樹」，等候暗物質的撞擊；還有一個是清華大學牽頭的CDEX項目，他們的靶子是高純度鍺。

    為什麼要到地下找暗物質？原來，日常環境下有各種各樣粒子，會對捕獲暗物質構成很多干擾。如果把高度靈敏的探測器放在地下屏蔽的環境中，一般的粒子無法穿過探測器外面的屏蔽，就只剩下暗物質粒子可以輕易穿透這層 「銅牆鐵壁」，又因為它有弱相互作用，所以有一定的幾率與探測器內的原子碰撞。對於高靈敏度的探測器，這些都是可以被探測的。

    這一方法自上世紀80年代提出後，多個國家的多個實驗室進行了嘗試，義大利、美國等國家的實驗團隊紛紛「埋頭」地下，尋找暗物質的證據。不過，這項實驗的難度也不小，因為關鍵是要不斷提高儀器靈敏度，儘可能搜集更多的數據，並在搜集到的海量數據中，儘可能去除干擾。
推薦閱讀：