尋找「暗物質」

大洋新聞 時間: 2013-04-27 來源: 廣州日報

　　科學家預言,破解暗物質之謎將改變人類未來

　　想像你自己是一顆孤獨的星球——在遼闊的宇宙中，即使最近的夥伴也遠在幾萬公里之外。有一天，也許你會一邊凝望著遠方的星星點點，一邊情不自禁地嘆息一聲：真是好寂寞啊！

　　就在此時，你的耳旁突然響起一個深沉的低音：「我一直在這裡陪著你，而且一直在費勁兒地拉著你。否則，你早就像壘球一樣飛出宇宙了！」

　　這時你會覺得開心還是有些恐怖？

　　我們的宇宙就是這樣一個不可思議的所在。越來越多的科學證據表明：我們能夠「看到」的、包括用儀器探測到的只是大約百分之五的宇宙。剩下的「地盤」上，看似是一片虛空，卻無時無刻不在釋放神秘而強大的引力。

　　科學家將這種不可以思議的所在稱為「暗物質」和「暗能量」。捕捉「暗物質」，是目前全球科學界的一大熱點問題。最近，這個領域捷報頻頻傳出：先是4月3日，諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中在歐洲核子中心公布了阿爾法磁譜儀在國際空間站上的首批實驗結果，表示有可能已經找到了暗物質的證據；4月18日，美國明尼蘇達州一座礦山底下深處的實驗室又傳來好消息，科學家稱已經發現暗物質真實存在的明確跡象。

　　暗物質究竟是什麼東西？科學家怎樣才能捕獲到一團「虛空」？這樣做的意義又是什麼呢？

　　文：記者 金葉

　　暗物質：

　　能夠被「感覺」，無法被觀測

　　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告訴記者，關於暗物質的理論，最早是由瑞士科學家弗里茲·茲威基在20世紀30年代提出的。「他在研究中發現，彗發座星系團的運動速度非常高，而星系中可見物質所產生的引力，根本不足以維持這麼高速的運動。茲威基估算，該星系團中有99%以上的質量是看不見的，我們只能通過引力『感覺』到它們的存在，茲威基將這些質量稱為暗物質。」

　　暗物質還有一個「近親」叫「暗能量」。科學家們發現，宇宙的膨脹速度非但沒有在自身的重力下變慢，反而在一種看不見的神秘力量的推動下變得更快。百思不得其解的科學家將這種力量命名為「暗能量」。而和暗物質、暗能量這些未知領域相比，人類目前對宇宙已知的領域是微乎其微的。有科學家作了這樣一個形象的比喻：假如全宇宙的物質猶如一個金字塔，我們可見的物質只是塔尖上的一點點，塔中間27%的部分是暗物質，塔下那個龐大的基礎則是佔了68%的暗能量。站在閃閃發光的塔尖上的人類，對自己腳下黑暗的基石，近乎一無所知。

　　「暗物質」就在我們身邊

　　暗物質如果真的存在的話，不止在太空、地層深處，也在地球的任何一個角落無處不在。

　　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」，無論是宇宙飛船，還是我們生活在地球上的人類，雖然「浸潤」其中，卻毫無知覺。暗物質無處不在，卻又彷彿是一場「虛空」。

　　陳學雷認為，我們其實無法用現有知識體系中的任何一樣「物質」去形容暗物質。「我們現在對它的了解是：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。研究者曾對暗物質可能的形態做過很多理論上的猜測。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物質模型是所謂『弱相互作用重粒子』（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。按照WIMP模型，暗物質粒子的特點是雖然沒有電磁相互作用和強相互作用，但參與弱相互作用，同時質量比質子和中子大。它的運動速度不太快，相對於太陽系的速度大約每秒幾百公里；密度也不算大，我們地球附近每升空氣內大概只有1個WIMP粒子。」

　　這些特性決定了暗物質神奇的力量：它能將宇宙「團結」在一起，可以在瞬間穿越地球、穿越人體、穿越任何物質，但卻令所有的人和儀器渾然不覺。

　　「上天」「入地」捕捉暗物質

　　上天：AMS項目的數據仍有待完善

　　「暗物質」和「暗能量」可以說是21世紀最大的謎團。和對「暗能量」的研究相比，最近一段時間，對「暗物質」的研究速度正在加快。

　　首先是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，他們的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。」陳學雷這樣解釋。

　　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。根據宇宙線粒子能譜的冪律分布，隨著粒子能量的增加，正電子在其中的比例應該不斷下降。但AMS實驗卻發現在能量大於10GeV時，正電子的比例開始上升。

　　「當然，這些多出的『正電子』並不見得就一定是來自暗物質，它還有可能是脈衝星所產生的。為了確認這些多餘正電子的來源，必須繼續獲得更多的數據。由於暗物質本身有一定的質量，因此其湮滅產生的正電子能量有一個『峰』，峰值比較接近暗物質質量，而且這個『峰』會比較尖銳。反之，如果是其他原因導致正電子超出，那麼可能就沒有『峰』，而只有比較平緩的『斜坡』或『鼓包』。因此，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這個『峰』，暗物質是否存在就會有更明確的答案。」陳學雷表示。

　　入地：CDMS實驗「發現暗物質的可能性已達99.8%」

　　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。

　　「日常環境下有各種各樣的粒子，比如宇宙線粒子、自然界衰變的一些輻射粒子等等，它們的流量都要比暗物質粒子大得多，會對我們捕獲暗物質構成很多干擾。但如果我們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。由於暗物質粒子相當重，又以每秒幾百公里的高速度在銀河系的『暗物質暈』中運動，因此在這一碰撞中，可以傳遞相當多的能量給被碰的原子，導致原子被電離、激發或產生晶格振動。對於高靈敏度的探測器，這是可以被探測的。」陳學雷解釋說。

　　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。其中處於領先地位的是位於義大利地下的DAMA實驗組。它選取碘化鈉晶體做探測器，使用非常靈敏的光電管來探測碰撞後產生的光信號。中科院高能所有幾位科學家是該實驗組的成員。

　　陳學雷告訴記者，DAMA實驗組自十餘年前開始就聲稱探測到暗物質產生的年調製信號，不過這一結果沒有得到其他實驗組的證實，所以大家對那個結果保持一種半信半疑的態度。

　　而在今年4月18日，終於又有其他的實驗組傳來捷報：位於美國明尼蘇達州一座礦山底下深處的CDMS實驗室，使用硅晶體和鍺晶體作為探測器，在接近零下460華氏度（約-237.78℃）的條件下，發現了罕見的暗物質粒子反彈現象。

　　美國物理學會的科學家報告稱，他們在實驗中發現大質量弱相互作用粒子的信號強度達到3個西格馬水平，說明他們發現暗物質的可能性達到99.8%。

　　但陳學雷告訴記者，CDMS實驗目前取得的數據也不能說明真的已經尋找到了暗物質。「純粹從統計信號的角度來說，CDMS目前貌似是找到了暗物質存在的跡象，但是它們取得的結果仍舊有可能是系統誤差，有待進一步的檢驗和考證。」

　　破解暗物質之謎 人類或迎來「新世界」

　　為何全世界的科學家們都如此熱衷尋找暗物質？

　　「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。」陳學雷說。

　　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這一大步，為我們今天高科技生活的一切細節奠定了基礎。

　　科學家們堅信，暗物質和暗能量是本世紀物理學天空上的另外兩朵「烏雲」。等到撥雲見日的那一天，也許人類又將迎來一個不可思議的美麗新世界。