改變世界的“暗物質(zhì)”

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自去年7月，歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子存在的證據(jù)之后，該發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為“半個多世紀(jì)以來最偉大的物理學(xué)成就之一”。10月初，2013年度諾貝爾物理學(xué)獎頒給了成功預(yù)測希格斯玻色子的兩位物理學(xué)家，可謂眾望所歸。繼此之后，多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為“暗物質(zhì)”粒子可能成為下一個人類科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)。

如果說證明“上帝粒子”的意義在于解釋亞原子粒子如何獲取質(zhì)量，繼而最終形成我們所認(rèn)知的世界，對“暗物質(zhì)”的研究則是探尋我們未知的，從未曾看見的那個神秘世界。

暗物質(zhì)究竟什么樣？

當(dāng)?shù)貢r間10月30日，美國桑福德地下研究中心發(fā)布了“暗物質(zhì)”實(shí)驗——大型地下氙探測器（LUX）實(shí)驗的第一次數(shù)據(jù)收集研究結(jié)果。雖然在地球深處探尋“暗物質(zhì)”的努力沒有見到任何成效，不過此次實(shí)驗才開始85天，科學(xué)家相信，他們已掌握一種更準(zhǔn)確高效的方法，對“暗物質(zhì)”的探尋將繼續(xù)下去。

這一漫長的探尋要追溯到80年前。1934年，瑞士天文學(xué)家弗里茲·茲威基在研究星系團(tuán)中星系的軌道速度時，為解決“缺失的物質(zhì)”問題而提出一個極富想象力的概念——“暗物質(zhì)”。茲威基經(jīng)過計算認(rèn)為，星系的平均質(zhì)量實(shí)際上比根據(jù)其亮度計算出的質(zhì)量大160倍，這意味著絕大多數(shù)物質(zhì)是不可見的。

起初，茲威基的結(jié)論沒引起重視，直到約40年后人們在研究星系中恒星運(yùn)動時遇到類似的困難，“暗物質(zhì)”的說法才逐漸獲得認(rèn)可。通過觀測星系中恒星的公轉(zhuǎn)速度，也確認(rèn)了星系中有大量“暗物質(zhì)”存在。此外，引力透鏡、星系碰撞和宇宙微波背景輻射等的觀測都間接證實(shí)了“暗物質(zhì)”的存在。

但“暗物質(zhì)”究竟是什么“樣子”的？科學(xué)家們很難描述清楚。形狀、顏色、狀態(tài)，我們對已知物體的這些形容都不適用于它，它不會與光發(fā)生反應(yīng)，看不見，目前無法被探測到，摸不著。不過，“暗物質(zhì)”與普通物質(zhì)之間會通過引力作用發(fā)生相互作用，就像茫茫宇宙中的一張縱橫交錯的透明巨網(wǎng)，只能通過引力“感覺”到它。

最有可能的“候選者”

到目前為止，科學(xué)家尚無法明確指出“暗物質(zhì)”的基本構(gòu)成。但多種推測中，其中一個非常有希望的理論是被稱作“大質(zhì)量弱相互作用粒子”（WIMP）的候選體。在假設(shè)的理論中，預(yù)言這種粒子應(yīng)該具有以下兩個特點(diǎn)：粒子只通過弱核力和引力產(chǎn)生相互作用，與普通粒子相比質(zhì)量較大。

WIMP不參與電磁力作用，因此無法被直接探測到。而且它們不參與強(qiáng)核力作用，與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用的幾率非常低。由于它們較大的質(zhì)量，運(yùn)動的速度相對緩慢，能夠成團(tuán)聚集。這些特性使得WIMP被認(rèn)為是最有可能的暗物質(zhì)“候選者”。

由于這種粒子與普通物質(zhì)的相互作用非常弱，只能產(chǎn)生較少能量，很難被現(xiàn)有科技水平的觀測工具探測到。因此，為尋找到WIMP粒子，物理學(xué)家可能通過放置在地下實(shí)驗室，背景噪聲減少到極低的探測器直接探測它們的存在；也可以通過地面或太空望遠(yuǎn)鏡對這種粒子在星系中心，太陽中心或者地球中心湮滅產(chǎn)生的其他粒子來間接探測；人們同時還希望利用歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)或者未來的國際直線加速器中人工“制造”出這些新粒子來。

地下實(shí)驗室“廣撒網(wǎng)”

據(jù)悉，全球各地已建起十幾個尋找“暗物質(zhì)”的實(shí)驗室，科學(xué)家們廣撒網(wǎng)，卻似大海撈針，“暗物質(zhì)”依然神龍見首不見尾。包括美國明尼蘇達(dá)州蘇丹煤礦的實(shí)驗室、加拿大的SNOLAB地下實(shí)驗室、意大利的大薩索國家實(shí)驗室、英國博爾比鹽礦中的精神實(shí)驗中心以及中國首個極深地下實(shí)驗室——中國錦屏地下實(shí)驗室。它于2010年12月在四川雅礱江錦屏水電站投入使用，其垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是當(dāng)前世界巖石覆蓋最深的實(shí)驗室。

眾多搜索“暗物質(zhì)”實(shí)驗室中，位于美國南達(dá)科他州的LUX項目是最為先進(jìn)的一個，它位于被廢棄金礦改造的桑福德實(shí)驗室，研究者要乘坐此前運(yùn)送礦工的電梯花10分鐘深入地下1600米才能抵達(dá)實(shí)驗室。之所以要選擇在如此深的地下，是因在此受到的宇宙射線干擾比地球其它地方都要少很多。實(shí)驗室目前仍在建設(shè)中，完全建成后其深度將超過2400米。

LUX實(shí)驗的原理是將一個重300公斤的液態(tài)氙容器作為“搜捕”“暗物質(zhì)”的工具。液態(tài)氙屬于冷物質(zhì)，重量是水的3倍。這個容器已被冷卻到零下101攝氏度。一旦當(dāng)WIMP粒子偶爾撞上氙原子核時會釋放特定數(shù)量的能量，探測器就能發(fā)現(xiàn)其信號。

科學(xué)家表示，在LUX實(shí)驗首度運(yùn)行的85天內(nèi)沒有找到WIMP粒子撞擊的蛛絲馬跡。但他們并不灰心，實(shí)驗才剛剛開始，明年的全年都將繼續(xù)進(jìn)行，而且LUX要比其他探測設(shè)備至少靈敏兩倍。項目參與者之一，布朗大學(xué)物理學(xué)教授理查德·蓋茲克爾表示：“我們在首次運(yùn)行階段并沒觀測到任何證據(jù)，并不表明我們不會在第二階段有所收獲。”他相信，LUX實(shí)驗未來仍然光明，其將跨越更廣的范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，并可能會發(fā)現(xiàn)較重暗物質(zhì)的跡象。另一位科學(xué)家丹·麥肯錫說，LUX就像一臺機(jī)器，有能力搜查非常廣泛的“暗物質(zhì)”候選者。

也可能根本走錯了方向

除了在地底尋找“暗物質(zhì)”，科學(xué)家們也試圖在太空中捕捉它的蹤影。

2011年，哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到一組被稱為“暗物質(zhì)對星系產(chǎn)生影響的最清晰照片”。其拍攝到的一個名MACS1206的巨大星系團(tuán)就像宇宙中的“透鏡”，對其附近恒星的發(fā)出光線進(jìn)行了扭曲。天文學(xué)家稱，這說明該星系主要由“暗物質(zhì)”組成，因為如果僅由行星和恒星形成的如此規(guī)模的星系團(tuán)是無法產(chǎn)生這種現(xiàn)象的。

將于2020年發(fā)射升空的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡則將放眼更遙遠(yuǎn)的星空，花費(fèi)6年時間對覆蓋全天1/3天區(qū)面積中超過20億個星系的形狀和位置進(jìn)行精密測量，繪制更完整的宇宙的演變和它的結(jié)構(gòu)圖，尋求“暗物質(zhì)”在宇宙中存在并施加巨大影響的證據(jù)。不過望遠(yuǎn)鏡看到的只能算是“疑似”暗物質(zhì)的影響，證明其存在仍需其基本組成的確鑿證據(jù)。2011年被送往國際空間站的“阿爾法磁譜儀2”正是肩負(fù)著這個任務(wù)。這一項目由美國麻省理工學(xué)院華裔諾貝爾獎獲得者丁肇中負(fù)責(zé)，包括中國科學(xué)家在內(nèi)的全球600多名科研人員參與了這一項目。“阿爾法磁譜儀2”無法對“暗物質(zhì)”直接定位，但它具有在宇宙中找到“暗物質(zhì)”粒子相撞后所產(chǎn)生的殘碎物的本領(lǐng)。它可以直接探測到通過其中的單個粒子，并測量粒子的速度和軌跡。

今年4月3日，丁肇中向全世界第一次公布了“阿爾法磁譜儀2”的實(shí)驗數(shù)據(jù)結(jié)果——在太空實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中探測到40萬個正電子。比例上升是平衡的，沒有出現(xiàn)峰值。正電子來源沒有特定方向。“這些都支持正電子來源于暗物質(zhì)，可是沒有完全的證據(jù)。”

丁肇中認(rèn)為需要更多試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。科學(xué)家們承認(rèn)，盡管迄今為止的實(shí)驗都未獲得確鑿證據(jù)，可能是因設(shè)備敏感度不夠，但也可能根本走錯了方向。畢竟是在找一樣完全超出現(xiàn)有認(rèn)知范疇的東西。但科學(xué)家們確信，不管以何種形式，“暗物質(zhì)”確實(shí)存在，它對整個宇宙至關(guān)重要，即便看不見，證明其存在或?qū)⒏淖兾锢韺W(xué)的基本定律。正如紐約大學(xué)韋納教授說：“不弄明白暗物質(zhì)，我們就錯失了宇宙的絕大部分。”