尋找暗物質(zhì)的黑馬

編譯 石左虎

中國(guó)已經(jīng)是尋找宇宙中難以捉摸的無形粒子的強(qiáng)大參與者。

2015年12月17日，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”在酒泉發(fā)射升空

2015年，中國(guó)將一個(gè)名為“悟空”的宇宙探測(cè)器送入地球軌道，用于跟蹤和記錄宇宙射線，即來自宇宙的高能粒子流。

探測(cè)器在其工作的最早530天里，記錄了超過28億條宇宙射線。當(dāng)科學(xué)家查看數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些異常：一些射線（至少有150萬條）具有與其他射線不同的高能量。從曲線圖中可見，這些射線

是懸在曲線之上的一簇微小的異常點(diǎn)。

盡管這些亮點(diǎn)看上去相差不大，但對(duì)于全世界天體物理學(xué)家來說至關(guān)重要，因?yàn)樗麄冊(cè)诹D解開科學(xué)上最大秘密之一：暗物質(zhì)的存在。科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)包含了宇宙中大約1/4的物質(zhì)，然而棘手的問題是：我們看不到它們，我們甚至不知道它們的組成。實(shí)際上，暗物質(zhì)的存在是我們根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接做出的推論。暗物質(zhì)塑造了宇宙中的一些重要現(xiàn)象。

關(guān)于暗物質(zhì)的最流行理論認(rèn)為：這種神秘物質(zhì)的組成是大質(zhì)量弱互相作用粒子（WIMPs）。“悟空”（其正式名稱為“暗物質(zhì)粒子探測(cè)器”）的使命是探索來自WIMPs的信號(hào)。WIMPs是惰性且運(yùn)動(dòng)緩慢的粒子，很少發(fā)生碰撞；一旦發(fā)生碰撞，便形成電子和正電子（對(duì)應(yīng)于電子的反物質(zhì)）對(duì)，它們中的一些粒子組成宇宙射線。在對(duì)宇宙射線的探測(cè)中, 發(fā)現(xiàn)這些粒子對(duì)的數(shù)量急劇增加，形成一個(gè)明顯的尖峰, 就像“悟空”所確定的那樣。

在2017年11月的《自然》雜志上，“悟空”的探測(cè)結(jié)果與前十年的其他暗物質(zhì)研究成果并列。這一領(lǐng)域的令人振奮的前景取決于同樣?xùn)|西的多次測(cè)量。美國(guó)哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家、暗物質(zhì)研究者道格拉斯·芬克拜納（Douglas Finkbeiner）說：“并不能說這是暗物質(zhì)的征兆。”存在很多可能的解釋。由“悟空”和其他探測(cè)器獲得的信號(hào)來自宇宙的各個(gè)方向，所以科學(xué)家還不能確定這些信號(hào)的來源。奇異的宇宙射線可能來自超新星（強(qiáng)大能量的群星遺跡）或者脈沖星（快速旋轉(zhuǎn)的發(fā)光群星）。

“悟空”的探測(cè)結(jié)果盡管引人入勝，但仍屬非結(jié)論性的；對(duì)科學(xué)家而言，它為搜尋暗物質(zhì)提供了又一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。但對(duì)中國(guó)而言，此研究成果有著特別的意義。“悟空”是中國(guó)首次專門為天文學(xué)和天體物理學(xué)研究開展的航天項(xiàng)目，且在兩年內(nèi)取得了顯著成果。其成功說明中國(guó)成為暗物質(zhì)搜尋領(lǐng)域的強(qiáng)有力參與者和競(jìng)爭(zhēng)者。

美國(guó)耶魯大學(xué)理論天體物理學(xué)家普利亞姆瓦達(dá)·納達(dá)拉罕（Priyamvada Natarajan）說：“我看到了前進(jìn)的路，我們正朝著揭開這個(gè)巨大的宇宙之謎邁進(jìn)。在這方面，我認(rèn)為國(guó)與國(guó)之間是沒有界限的。但是，不應(yīng)該忽視的是，這是中國(guó)衛(wèi)星所做的探索。”

每當(dāng)人們說起中國(guó)在宇宙探索方面的雄心，通常會(huì)把注意力集中到軍事方面，而不去注意中國(guó)在科學(xué)領(lǐng)域的探索。中美航天競(jìng)賽往往成為報(bào)紙頭版重要新聞，美國(guó)國(guó)防部官員威脅要增強(qiáng)在低地球軌道的能力。每每想起在軌道上靠近美國(guó)航天器的中國(guó)宇宙飛船，從美國(guó)國(guó)家安全角度上看，總認(rèn)為它遠(yuǎn)比為探索甚至可能不存在的粒子的科學(xué)項(xiàng)目更叫人緊張不安。

美國(guó)海軍戰(zhàn)爭(zhēng)學(xué)院的國(guó)家安全事務(wù)教授瓊·約翰遜-弗里茲（Joan Johnson-Freese）研究宇宙安全有20年了。她說：“除非你真有星際旅行的狂想，否則必定使你聯(lián)想到武器開發(fā)能力。”

中國(guó)近年來大力投資航天科學(xué)事業(yè)。2011年，中國(guó)開始建造世界最強(qiáng)射電望遠(yuǎn)鏡，遠(yuǎn)勝過在波多黎各的著名的阿雷西博（Arecibo）天文臺(tái)。2016年秋，中國(guó)的這個(gè)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡投入使用。在它運(yùn)行的第一年，科學(xué)家用它發(fā)現(xiàn)兩顆新脈沖星。該望遠(yuǎn)鏡被認(rèn)為是今后探索外星生命的最有效工具。2013年，中國(guó)的月球車在月球著陸，去探索月球表面。同年6月，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（探索黑洞和中子星的空間衛(wèi)星）和“悟空”一道進(jìn)入軌道。

在約翰遜-弗里茲看來，在這些特別領(lǐng)域進(jìn)行投資是非常審慎的選擇。“跟其他國(guó)家一樣，中國(guó)希望載入歷史。但是，中國(guó)還不能在宇宙探索領(lǐng)域與長(zhǎng)期占主導(dǎo)地位的美國(guó)等國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)。而在沒有國(guó)家取得決定性勝利的領(lǐng)域，例如暗物質(zhì)搜尋領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)迎頭趕上。”

2016年3月，“悟空”發(fā)射數(shù)月之后，該項(xiàng)目首席科學(xué)家常進(jìn)說：“美國(guó)、歐洲、中國(guó)和日本將對(duì)這種神秘物質(zhì)的探索列為基礎(chǔ)前沿科研項(xiàng)目的頂端，在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的任何進(jìn)步將可能給物理學(xué)帶來突破。”

當(dāng)天體物理學(xué)界慶賀中國(guó)及其他國(guó)家的科學(xué)家取得的突破時(shí)，有些人則感到不安。約翰遜-弗里茲說：“倘若中國(guó)獲得諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)，那就意味著美國(guó)突然失去所有領(lǐng)先地位嗎？不。但是我會(huì)看到，將有很多科學(xué)家說，好啊，這將會(huì)成為中國(guó)人的專業(yè)知識(shí)，我們將依靠中國(guó)的科學(xué)而工作。”

美國(guó)科學(xué)家似乎最能感受到與潛在科學(xué)突破的隔離，因?yàn)槊绹?guó)國(guó)會(huì)在2011年通過一項(xiàng)法案，禁止NASA和中國(guó)的航天機(jī)構(gòu)合作。具有諷刺意味的是：在早先的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家在宇宙射線的探索中發(fā)現(xiàn)了奇怪的反射脈沖，科學(xué)家希望那是暗物質(zhì)存在的信號(hào)；而那次實(shí)驗(yàn)是中國(guó)、美國(guó)及其他國(guó)家的合作項(xiàng)目，信號(hào)來自安裝在國(guó)際空間站上的Alpha 磁譜儀，時(shí)間是在（美國(guó)）國(guó)會(huì)批準(zhǔn)禁令的一個(gè)月之后。

2012年，神舟九號(hào)發(fā)射前夜，中國(guó)衛(wèi)兵守衛(wèi)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心區(qū)域

中國(guó)已在尋求和其他國(guó)家的合作機(jī)會(huì)。來自瑞士日內(nèi)瓦和意大利的科學(xué)家參加了“悟空”項(xiàng)目，中國(guó)官員正與歐洲宇航局商討在月球上共建一個(gè)前哨基地。格雷戈里·庫拉基（Gregory Kulacki）是憂思科學(xué)家聯(lián)盟（The Union of Concerned Scientists，UCS，美國(guó)的非營(yíng)利組織）的資深分析家和中國(guó)項(xiàng)目經(jīng)理，他說：“（美國(guó)）國(guó)會(huì)的限制令制訂者以為禁止接觸會(huì)減緩中國(guó)人前進(jìn)的步伐，但500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目和‘悟空’項(xiàng)目證明：這樣的臆斷是錯(cuò)誤的。”

最終，中國(guó)在粒子物理領(lǐng)域的雄心也要經(jīng)過審查，而審查通常針對(duì)更加秘密、基于空間的軍事研究。庫拉基說：“看來無論中國(guó)在宇宙做什么，即便中國(guó)為我們認(rèn)識(shí)宇宙做出了顯著的科學(xué)貢獻(xiàn)，總有一些美國(guó)人將其視為威脅。”但是，科學(xué)不是零和游戲，而且科學(xué)家自己“心里清楚誰應(yīng)該受譴責(zé)”。

對(duì)隱匿的暗物質(zhì)粒子搜尋了幾十年之后，人們似乎覺得看不到希望。對(duì)WIMPs的探索（這個(gè)最引人關(guān)注的項(xiàng)目）已經(jīng)不斷重復(fù)沒有結(jié)果，天體物理學(xué)家正力圖擴(kuò)展他們的探索途徑。科學(xué)家希望“悟空”能夠在未來五年里有更多的成果。

納達(dá)拉罕說：“我們已經(jīng)思考好久了，這非常令人困惑；任何人取得進(jìn)展都令人極其興奮。”