錦屏山底卧著世界最深實驗室（附照片）

暗物質實驗室就深藏在連綿的錦屏山下。每天一早，研究團隊成員從隧道入口旁的水電工程隊營地出發，進入隧道深處的實驗室工作。本報記者陳龍攝本報首席記者 張懿科學家認為，人類的身邊遊離著數量眾多的暗物質，總量大約是常規世界物質的6倍。它們不發光，而且極少與常規物質發生作用。暗物質探測，就是將高靈敏度的探測器安置在一大片由原子核組成的「樹林」里，然後靜等暗物質粒子這隻「兔子」自己撞上來。許多物理學家相信，每時每刻，都有海量的粒子，以百倍於子彈的速度，穿透地球上的萬物，包括我們的身體。它們數量眾多，總量大約是組成我們常規世界的物質的6倍，沒有它們，宇宙星河就不會是現在這個樣子；但它們又是如此孤獨，遊離在空間中，無法被看到、從未被感知。事實上，除了貢獻引力，它們幾乎不與常規物質發生作用。因此，即便不斷地被它們穿透，我們的身體也依然無恙。這就是理論物理預言的暗物質粒子。過去十多年來，許多科學家正窮盡各種實驗方法，試著與構成宇宙質量80%以上的暗物質「接觸」。如果如願，這將極大地豐富人類對宇宙的理解。中國的研究者如今正走在最前沿。在中國西部偏遠山區的一間深入地下2.5公里的實驗室里，他們正在努力工作，希望能率先捕捉到暗物質粒子。不久前，本報記者 隨上海交大的研究者，走進了中國錦屏山暗物質實驗室。大河灣里多了一「點」錦屏山位於青藏高原東麓，是橫斷山脈的一支。橫斷山脈由一條條南北延展的岩層褶皺組成，雪山融雪順勢在其中蜿蜒成一條條江河，金沙江最大的支流——雅礱江便在其中。發源於巴顏喀拉山的雅礱江全長1500多公里，最初的1000多公里幾乎是一路向南，直到在錦屏山前遇阻。江水先是急轉向北，百公里後再次繞向南方。地圖上，雅礱江繞著錦屏山，寫下了一個巨大的「幾」字。據當地人說，從前，山裡的老鄉如果要去趕集，得翻山越嶺走上好幾天。馬幫則選擇沿著峽谷，順著河流，繞行錦屏山，全程180多公里。但從2008年開始，這段路驟然被「縮短」了90%。為開發水電，雅礱江公司從東西方向鑿通了錦屏山。原長江水利委員會副總工程師楊浦生告訴記者，藉助河灣的天然地形，截彎取直後，江水「抄近路」走山下的隧洞，這樣就可以利用河灣兩端300多米的水頭落差發電。2007年，錦屏二級水電站正式開工。工程要鑿通4條洞徑13米的引水隧洞，每個隧洞的江水能推動兩台60萬千瓦的發電機。此外，工程還要辟通兩條交通配套隧道，以及一條排水隧道。這七條隧道全都穿透錦屏山，長度都在18公里左右，一起構成了世界上最大的水工涵洞群。這個總投資逾400億元、總裝機容量480萬千瓦的錦屏二級水電工程，就彷彿將「幾」字型的雅礱江大河灣變成了「凡」字。而錦屏實驗室的位置，就在「凡」字這一「點」的正中間。它的入口，就位於交通配套隧道深處的岩壁上。過去，從外界到錦屏山根本沒路。水電工程的第一批施工工具，當初真的是靠馬馱進山的。即便是現在，從水電工程隊的營地出發，到最近的村鎮，也要開車近2個小時；沿途超過三分之二的路程，都是在隧洞里穿山而行。到2500米地下「撿石頭」上海交通大學物理系主任季向東牽頭的暗物質探測項目組PandaX，目前正在錦屏山底緊張地作實驗準備。不久前，這個項目組剛剛受到《自然》雜誌的關注——由中國主導的基礎研究實驗受到國際頂級刊物的關注，這樣的事例並不多。2009年的3月17日，季向東第一次到錦屏山。那時，錦屏山隧道剛貫通半年多，洞壁一直在冒水。穿著長雨靴，趟著一尺多深的水，季向東進了隧道。那天，一行共有7人，還包括清華大學、中科院、美國普林斯頓大學、加州大學洛杉磯分校的幾位教授。在昏暗的燈光下，他們撿了幾塊石頭。能把一群物理學家吸引到川西高原「撿石頭」，魅力就在於隧道。按埋深計算，錦屏山隧道排名中國第一、世界第二。隧道兩端入口海拔大約1600米，它穿透的山峰，最高海拔近4100米。換句話說，站在隧道深處，頭頂上是厚達2500米的山體。不僅如此，整條隧道70%以上的部分，埋深都在1500米以上。暗物質探測，說簡單點，就彷彿守株待兔——將高靈敏度的探測器安置在一大片由原子核組成的「樹林」里，然後靜等暗物質粒子這隻「兔子」自己撞上來。但在我們身邊，飛行著大量的常規物質粒子和射線，而它們撞「樹」的概率遠遠超過暗物質，它們的撞擊會製造大量的干擾。為減少誤報，準確抓到「兔子」，「樹林」必須布置在常規粒子很少經過的地方。在所有干擾中，最麻煩的就是宇宙射線。宇宙射線來自太空，具有極高的能量和穿透力。隔離它們最有效的方法，就是靠岩層屏蔽；岩層越厚，屏蔽效果越好，實驗環境也越純凈。所以，世界上主要的暗物質實驗室大都建立在地下數百米到數公里的深處。在極深的地下，絕大多數宇宙射線被隔離，可暗物質卻照樣暢行無阻。因為暗物質極少與常規物質發生相互作用，整個地球對它來說，也就像薄薄的玻璃之於光線，何況幾千米的岩石。2008年8月8日，北京奧運開幕當天，錦屏山交通配套隧道貫通。國內學界敏銳地感到，中國缺乏開展暗物質研究條件的歷史，這次或許將被改寫。於是，半年多後，7位教授組成的「觀光團」來到錦屏山。他們趟水進洞，一方面是親眼看看這個傳說中的暗物質探測寶地；另一方面，他們還要搜集當地的岩石，進行放射性檢測——暗物質實驗不僅要提防宇宙射線這個「外患」，也要杜絕隧道內存在放射性岩石的「內憂」。檢測結果讓人非常滿意：岩層所含放射性之低出乎意料。錦屏山底是一個絕佳的暗物質探測實驗室候選地點，一旦建成，就將成為世界上埋藏最深的地下實驗室。穿行隧道「迷宮」外人到了錦屏山，第一件事就是適應走隧道。整個錦屏地區簡直就是一個隧道的迷宮。剛出洞，一拐彎，忽然就進了另一個洞。一旦進洞，一般根本望不到另一端洞口的亮光。隧道壁永遠是黑黢黢的，路燈永遠是螢火般的一點點，雖然車一直在跑，但車窗外的畫面就像卡帶的音樂一樣，單調地重複著，幾乎就是個定格鏡頭。就這麼跟著車，在洞里搖晃，憋悶半天，差點被催眠的當口，眼睛忽然被陽光刺痛——出洞了。在錦屏山「大工地」所有的隧道里，直接穿越錦屏山的是其中最長的一段。這隧道其實是兩根，一南一北相鄰，每根都是單行道，每根長18公里，大體上相當於從浦東陸家嘴到虹橋機場的距離。這兩根隧道用來走車，其下約80米處，就是4根巨大的引水隧洞。錦屏山隧道完全是原生態的，四壁是坑坑窪窪的石頭，地上滿是泥漿。隧道的寬度，勉強可以並排走兩輛小汽車。實際上，這根錦屏山最長的隧道，也是這裡最窄的一根。之所以挖不寬，是因為它頂上是幾千米的大山，這讓隧道內的岩石承受著巨大的應力。水電行業有句話，三峽之外再無更大的電站。而錦屏之外，也沒有更難的工程。錦屏工程之難，關鍵在於開掘隧道時要對抗巨大的岩土應力。應力最大的危險是「岩爆」——顧名思義，就是隧道掘進中，由於岩層被切斷，原先的內應力平衡被打破，石頭隨時可能像裝填了火藥一般炸開，以釋放應力。在掘進的掌子面上，岩爆一旦發生，非常危險，大石頭能瞬間把大型設備埋沒，小石頭則像子彈一樣四處亂飛。記者在錦屏工程展示館裡，就看到好幾頂被小石頭擊中，留下深深凹痕的鋼製安全帽。每天，上海交大暗物質實驗組的常駐老師和學生，從隧道東出口的營地宿舍出發，坐車進入隧道的實驗室。中午回宿舍吃飯後再進洞，直到晚上。季向東說，原來課題組曾計劃中午不出洞，把飯帶進實驗室吃，這就可以省下路上奔波的時間。但試了之後發現，在這樣與世隔絕的洞里從早待到晚，心理上有些扛不住。這話算不上誇張——當汽車在似乎望不到頭的隧道里終於停下，走出車廂，踏過滿地泥漿，站上一個水泥平台後，記者的鼻子頓時被污濁的尾氣、土味和潮濕的瘴氣填滿。雖然隧道里空蕩蕩的，沒有其他車經過，但空氣里依然回蕩著巨大的「嗡嗡」聲。昏暗的燈光實在照不亮煤黑色的隧道。但就在水泥平台上，兩扇四五米高的不鏽鋼大門亮閃閃的，提醒外人，這個粗獷的所在與科技前沿有交集。季向東招呼記者趕緊進實驗室。他說，在隧道里站15分鐘，口罩就會變黑。但他補充說：「我們就是要在這樣極端的環境下，爭取把暗物質探測實驗的精度做到極致。」暗物質有多「暗」暗物質最神奇的地方，就是它無處不在，卻從未被發現。過去，人類對宇宙的了解，主要靠望遠鏡搜集、分析來自遙遠星系的光和電磁波。但暗物質卻根本不發光，因此，直接看是看不到它們的。大約80年前，加州理工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基發現，某些星系邊緣部分的運動速度要比預想的更快。在這個旋轉速度下，星系中已知物質提供的萬有引力實在難以抵擋邊緣部分的巨大離心力，這些部分應該會被「甩」出去。但是這種情況沒有發生。茲威基大膽推斷說，應該有種看不見的神秘物質，貢獻著更多的萬有引力。在隨後幾十年中，各種物理實驗也間接證明，宇宙中存在大量與常規物質不同的東西，貢獻著額外的引力；它們就像宇宙的膠水，拉住了星系。雖然在解釋這些額外引力時，物理學家曾創造出各種假說，但現在，多數科學家相信，這種看不見的東西是暗物質。而且，它們很有可能是由一類名為「弱相互作用大質量粒子（WIMP）」的微觀粒子構成。被廣為接受的理論認為，WIMP粒子在宇宙中廣泛存在，暗物質的總量是組成我們已知世界的常規物質的6倍多。很多人認為，它「像霧像雨又像風」，包括地球也「飄浮」在暗物質的氣暈中，宇宙的演變則很大程度上被暗物質主導。了解暗物質、了解WIMP的性質，應該能為人們打開一扇巨大的未知領域的大門。季向東說，我們所在的銀河系就像一個直徑約10萬光年的鐵餅，但這只是其「可見部分」的樣子；基於暗物質模型，在「可見」的銀河之外，還包裹著大量的暗物質。算上它們，整個銀河系的直徑可能要大上10倍。打個比方，如果把完整的銀河系比成一顆葡萄，那麼已知部分只是小小的「葡萄籽」，大團「果肉」里全是暗物質粒子。人類對暗物質的認識，一直就像「聞香識女人」，只來自間接觀測證據。迄今，沒有強有力的直接證據讓科學家能信心滿滿地宣布：「暗物質被找到了。」要找暗物質，得在微觀尺度上，與可能存在的WIMP粒子接觸，了解其大小、質量等基本性質。而要「接觸」，就得接受暗物質的「行事規則」。物理學將物質間的各種力歸為四種相互作用：電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用、萬有引力。暗物質只參與後兩種，要與暗物質粒子接觸，唯一的方法，是靜候它們在飛行中偶然與常規物質的原子核碰撞。季向東說，暗物質探測實驗會搭建一個原子核的「樹林」，然後「守株待兔」。不過，儀器抓到的還不是暗物質這隻「兔子」，而是它與常規物質的原子核碰撞後，原子核發出一些信號：光、振動或是電子。這些信號，就好比是被兔子撞到的樹上掉下的葉子。但無論這碰撞產生的是光、熱，還是電子，它都非常微弱，所以，科學家需要造出儘可能靈敏的探測器。在錦屏山底的中國暗物質實驗室，中國的科學家正翹首以待，希望不錯過這道奇妙的光。有意味的是，根據目前的理論推算，暗物質粒子WIMP的尺寸可能比人們已知的所有基本粒子更小，但這些「最小的粒子」卻決定了我們已知的最大尺度的對象——宇宙的演化。這就是大與小的辯證法。暗物質實驗到底有什麼用？——訪PandaX項目組負責人季向東文匯報：中國目前介入暗物質探索，介入前沿的物理基本問題的研究，有什麼現實意義？季向東：這種探索本身蘊含了一種難能可貴的挑戰精神。在PandaX項目中，上海交大給予了課題組很大的支持，這種支持不僅是經費，更是一種對科學研究的理解和寬容。交大校長張傑曾說，在極深地下實驗室的理想屏蔽環境中一定會有不少物理髮現；退一萬步說，即使探測十年無果，這些探索也是有意義的，因為我們向世界展示了中國科學家沒有功利色彩的科學追求精神。文匯報：如果發現了暗物質，會對國民經濟有什麼推動嗎？季向東：暗物質，即使發現了，短期內很難說能有什麼用處。但是，暗物質探測、以及其他重大基礎課題研究，一定會對工程技術領域產生推動。就拿我們的PandaX項目來說，探測器外的高純度無氧銅屏蔽體，要求銅的純度達到5個9，也就是99.999%。我們在河南找到了一個有能力提供這種銅材料的企業。現在，我們的實驗用到一些儀器和零件，很多得靠進口，比如極高靈敏度的光電管。這個產品價格接近一輛小汽車，附加值非常高，但國內做不了；如果有企業能提供，一定能有不錯的回報。在美國一些著名的理工科高校周邊，都有一大群中小型高科技企業。這些企業技術水平很高。它們的崛起，很大程度上是依賴這些著名高校的實驗室。國內要建設世界一流大學，離不開這樣一個高科技產業生態環境。反過來，高水平的研究，也能支撐起足夠多的掌握核心技術的企業。這些企業是真正的高科技產業，具有很強的生命力。文匯報：現在似乎有一種論調，優秀的學生不太願意在國內從事基礎科學研究。您怎麼看？季向東：基礎研究，某種程度上也是人才的競爭。要吸引年輕人在國內工作，除了提供與國際水平可比的待遇，更重要的是為他們實現學術理想提供機遇，這就需要具有國際一流水平的科研平台。
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