科学家预言:破解暗物质之谜将改变人类未来

寻找暗物质的AMS实验在国际空间站上进行。（资料图片）

一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。

巨大的星系团正发生碰撞。在这张多波段影像中，暗物质是以蓝色呈现的。（CFP供图）

科学家利用国际空间站寻找暗物质。（CFP供图）

　　科学家预言,破解暗物质之谜将改变人类未来

　　想象你自己是一颗孤独的星球——在辽阔的宇宙中，即使最近的伙伴也远在几万公里之外。有一天，也许你会一边凝望着远方的星星点点，一边情不自禁地叹息一声：真是好寂寞啊！

　　就在此时，你的耳旁突然响起一个深沉的低音：“我一直在这里陪着你，而且一直在费劲儿地拉着你。否则，你早就像垒球一样飞出宇宙了！”

　　这时你会觉得开心还是有些恐怖？

　　我们的宇宙就是这样一个不可思议的所在。越来越多的科学证据表明：我们能够“看到”的、包括用仪器探测到的只是大约百分之五的宇宙。剩下的“地盘”上，看似是一片虚空，却无时无刻不在释放神秘而强大的引力。

　　科学家将这种不可以思议的所在称为“暗物质”和“暗能量”。捕捉“暗物质”，是目前全球科学界的一大热点问题。最近，这个领域捷报频频传出：先是4月3日，诺贝尔物理学奖获得者丁肇中在欧洲核子中心公布了阿尔法磁谱仪在国际空间站上的首批实验结果，表示有可能已经找到了暗物质的证据；4月18日，美国明尼苏达州一座矿山底下深处的实验室又传来好消息，科学家称已经发现暗物质真实存在的明确迹象。

　　暗物质究竟是什么东西？科学家怎样才能捕获到一团“虚空”？这样做的意义又是什么呢？

　　文：记者 金叶

　　暗物质：

　　能够被“感觉”，无法被观测

　　国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷告诉记者，关于暗物质的理论，最早是由瑞士科学家弗里兹·兹威基在20世纪30年代提出的。“他在研究中发现，彗发座星系团的运动速度非常高，而星系中可见物质所产生的引力，根本不足以维持这么高速的运动。兹威基估算，该星系团中有99%以上的质量是看不见的，我们只能通过引力‘感觉’到它们的存在，兹威基将这些质量称为暗物质。”

　　暗物质还有一个“近亲”叫“暗能量”。科学家们发现，宇宙的膨胀速度非但没有在自身的重力下变慢，反而在一种看不见的神秘力量的推动下变得更快。百思不得其解的科学家将这种力量命名为“暗能量”。而和暗物质、暗能量这些未知领域相比，人类目前对宇宙已知的领域是微乎其微的。有科学家作了这样一个形象的比喻：假如全宇宙的物质犹如一个金字塔，我们可见的物质只是塔尖上的一点点，塔中间27%的部分是暗物质，塔下那个庞大的基础则是占了68%的暗能量。站在闪闪发光的塔尖上的人类，对自己脚下黑暗的基石，近乎一无所知。

　　“暗物质”就在我们身边

　　暗物质如果真的存在的话，不止在太空、地层深处，也在地球的任何一个角落无处不在。

　　中科院理论物理研究所研究员李淼将暗物质形容为黏合宇宙万物的“胶水”，因为如果没有暗物质，物质之间，尤其是天体之间的引力，将无法保持恒星和星系之间的聚集，星系早就分崩离析了。但这团“胶水”所产生的凝聚力却又如同空气般“润物细无声”，无论是宇宙飞船，还是我们生活在地球上的人类，虽然“浸润”其中，却毫无知觉。暗物质无处不在，却又仿佛是一场“虚空”。

　　陈学雷认为，我们其实无法用现有知识体系中的任何一样“物质”去形容暗物质。“我们现在对它的了解是：它只参与引力作用，但是不发光，不参与电磁的相互作用，不是目前我们已知的任何一种粒子——甚至它究竟是不是粒子也没有最终定论。研究者曾对暗物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物质模型是所谓‘弱相互作用重粒子’（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。按照WIMP模型，暗物质粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用，但参与弱相互作用，同时质量比质子和中子大。它的运动速度不太快，相对于太阳系的速度大约每秒几百公里；密度也不算大，我们地球附近每升空气内大概只有1个WIMP粒子。”

　　这些特性决定了暗物质神奇的力量：它能将宇宙“团结”在一起，可以在瞬间穿越地球、穿越人体、穿越任何物质，但却令所有的人和仪器浑然不觉。

　　“上天”“入地”捕捉暗物质

　　上天：AMS项目的数据仍有待完善

　　“暗物质”和“暗能量”可以说是21世纪最大的谜团。和对“暗能量”的研究相比，最近一段时间，对“暗物质”的研究速度正在加快。

　　首先是丁肇中教授所领导的涉及16个国家、500多名科研人员的AMS项目，他们的目标是在太空中搜寻多余的“正电子”，而它可以被视作暗物质存在的有力证据。

　　“宇宙中正电子的主要来源是宇宙射线。但宇宙射线所产生的正电子的多少是非常有规律的。所以如果实验能发现超出这个规律的‘多余’的正电子，那它就有可能来自暗物质。”陈学雷这样解释。

　　在将阿尔法磁谱仪放入太空一年半之后，丁肇中团队真的找到了大量多余的正电子。根据宇宙线粒子能谱的幂律分布，随着粒子能量的增加，正电子在其中的比例应该不断下降。但AMS实验却发现在能量大于10GeV时，正电子的比例开始上升。

　　“当然，这些多出的‘正电子’并不见得就一定是来自暗物质，它还有可能是脉冲星所产生的。为了确认这些多余正电子的来源，必须继续获得更多的数据。由于暗物质本身有一定的质量，因此其湮灭产生的正电子能量有一个‘峰’，峰值比较接近暗物质质量，而且这个‘峰’会比较尖锐。反之，如果是其他原因导致正电子超出，那么可能就没有‘峰’，而只有比较平缓的‘斜坡’或‘鼓包’。因此，如果丁肇中的团队能在接下来的数据完善中发现正电子数量的这个‘峰’，暗物质是否存在就会有更明确的答案。”陈学雷表示。

　　入地：CDMS实验“发现暗物质的可能性已达99.8%”

　　除了在太空中搜寻间接证据，还有很多国家的科学家潜入地下，他们企图直接捕获暗物质，以寻找暗物质存在的直接证据。

　　“日常环境下有各种各样的粒子，比如宇宙线粒子、自然界衰变的一些辐射粒子等等，它们的流量都要比暗物质粒子大得多，会对我们捕获暗物质构成很多干扰。但如果我们把高度灵敏的探测器放在地下屏蔽的环境中，一般的粒子无法穿过探测器外面的屏蔽，就只剩下暗物质粒子可以轻易穿透这层‘铜墙铁壁’，又因为它有弱相互作用，所以有一定的几率与探测器内的原子碰撞。由于暗物质粒子相当重，又以每秒几百公里的高速度在银河系的‘暗物质晕’中运动，因此在这一碰撞中，可以传递相当多的能量给被碰的原子，导致原子被电离、激发或产生晶格振动。对于高灵敏度的探测器，这是可以被探测的。”陈学雷解释说。

　　这一方法自上世纪80年代提出后，多个国家的多个实验室进行了尝试。其中处于领先地位的是位于意大利地下的DAMA实验组。它选取碘化钠晶体做探测器，使用非常灵敏的光电管来探测碰撞后产生的光信号。中科院高能所有几位科学家是该实验组的成员。

　　陈学雷告诉记者，DAMA实验组自十余年前开始就声称探测到暗物质产生的年调制信号，不过这一结果没有得到其他实验组的证实，所以大家对那个结果保持一种半信半疑的态度。

　　而在今年4月18日，终于又有其他的实验组传来捷报：位于美国明尼苏达州一座矿山底下深处的CDMS实验室，使用硅晶体和锗晶体作为探测器，在接近零下460华氏度（约-237.78℃）的条件下，发现了罕见的暗物质粒子反弹现象。

　　美国物理学会的科学家报告称，他们在实验中发现大质量弱相互作用粒子的信号强度达到3个西格马水平，说明他们发现暗物质的可能性达到99.8%。

　　但陈学雷告诉记者，CDMS实验目前取得的数据也不能说明真的已经寻找到了暗物质。“纯粹从统计信号的角度来说，CDMS目前貌似是找到了暗物质存在的迹象，但是它们取得的结果仍旧有可能是系统误差，有待进一步的检验和考证。”

　　破解暗物质之谜 人类或迎来“新世界”

　　为何全世界的科学家们都如此热衷寻找暗物质？

　　“我们人类对宇宙的认识太有限了，只不过是它‘可见’的百分之几的部分。所以，如果暗物质、暗能量之谜能够得到破解，人类的知识体系一定向前大大地推进。我虽然没有办法在今天就明确地指出暗物质的发现和研究究竟能给人类带来怎样的‘好处’，但历史经验一再证明的事实是：知识体系的巨大突破，必然会使人类生活面临更多的可能性。”陈学雷说。

　　在19世纪末，曾经有人将“以太说”和“黑体辐射”形容为物理学晴空中两朵令人困惑的“乌云”。但恰恰是这两朵“乌云”，催生出了相对论和量子论。理论物理向前推进的这一大步，为我们今天高科技生活的一切细节奠定了基础。

　　科学家们坚信，暗物质和暗能量是本世纪物理学天空上的另外两朵“乌云”。等到拨云见日的那一天，也许人类又将迎来一个不可思议的美丽新世界。