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揭开暗物质隐藏秘密 关乎恒星命运决定人类进化

http://www.kexue.com 2013-07-01 11:16:03 解放日报  发表评论


华人物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪(AMS)项目发现了可能是暗物质的有力证据

  繁星点点的夜空,总让人联想到浩淼的宇宙。但从另一个角度来说,我们“看得见”的宇宙,仅仅占宇宙物质总量的一个零头——大约5%,剩下的那些,是我们看不见的东西,暗物质、暗能量……这些也正是过去几十年来,全世界科学家孜孜以求的东西。宇宙之大,让每个如你我般的平凡人叹为观止,但是,一想到我们生活在一个多半连看都看不见的宇宙里,却毫无办法,总让人感觉不是滋味。

  日前,华人物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪(AMS)项目发现了可能是暗物质的有力证据。或许可以乐观地期待,人类终有一天,将穷尽那个看不见的世界的秘密。

  什么是暗物质?

  1932年,荷兰天文学家奥尔特通过对银河系中恒星的运动推测银河系应该有更多质量。然而,这一观点在当时被认为是错误的。直到20世纪60、70年代,天文学家发现,多数涡旋星系的转动速度大于理论计算的数值。一个最简单的原因是,这些星系含有很多不可见的质量。大量看不见的物质,提供了更多引力来维系星系。

  现在,科学家对暗物质的定义基本形成了共识: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。尽管科学家们尽了最大的努力,但目前为止,仍没有在地球上观测到或者是创造出一个真正意义上的暗物质粒子。

  “如果暗物质真的存在,它不止在太空或地层深处,它就在我们身边,地球的任何一个角落。”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”。

   暗物质无处不在,又仿佛是一场“虚空”,但又至关重要。甚至从某种角度来说,如果没有暗物质,恒星不会存在,就不会有太阳系,基于DNA双螺旋结构的生命又会在哪里出现?就算有生命,会不会进化出人类?

  为何寻找暗物质?

  “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。”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这样认为。

  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一大步,为我们今天高科技生活的一切细节奠定了基础。

  或许正如李淼所乐观估计的那样:“如果说,我们这一代人,有可能在活着的时候亲眼看见物理学家解开暗物质之谜,大概不会太离谱。 ”

  暗物质的美丽,常人不懂?

  几乎可以肯定的是,在暗物质领域,将陆续出现更多的发现和见解;几乎同样可以肯定的是,这些发现和见解是我们大多数人所无法理解的。

  对于大多数非专业人士来说,现代物理学愈发成为一个不可想象的世界——用看不懂的字眼,描述不可触及的世界。澳大利亚天体生物学中心自然哲学教授保罗·戴维斯曾在《自然》杂志说,“非物理学家几乎不可能区分你是合乎常情的怪人,还是彻头彻尾的疯子。”看起来,现代物理学正离“合乎常情”这条路越来越远,那么它和我们普通人又有什么关系呢?

  早在今年4月丁肇中团队发布观测结果之后的第一时间,李淼接受了许多国内媒体的采访,不约而同地,所有的记者都问到这个问题:“它有什么现实意义? ”李淼的回答也很直接,“与人类暂时没有直接意义。 ”

  那么,怎样的研究才有现实意义?一定要“立时三刻”产生经济效益,成为市场神话才行?一定要让我们吃得到、用得上才行?

  写到这里,不由想起几年前上海师范大学天体物理联合研究中心教授李新洲在接受本报记者采访时说的话:“在大多数现实的人看来,某种粒子存在与否与碗里有多少肉无关。但这并不成为我们放弃纯科学研究的理由。 ”

   纯科学研究离不开研究者追根问底的好奇心的驱动,离不开人类对未知的本能追问。而这种好奇心与本能,是任何一个文明社会都提倡的人类品质,也是人类社会不断前进的原动力之一。就暗物质而言,它追问的是宇宙从何而来,这也是人类在能力所及范围内,对世界、生命存在的一种叩问。

  “上天”“入地”捕捉暗物质

  上天:AMS项目

  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,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。 ”科学家这样解释。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。

  当然,这些多出的“正电子”并不一定来自暗物质。业内人士估计,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峰值,暗物质是否存在就会有更明确的答案。

  入地:PandaX和CDEX

  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。

  在四川锦屏山2000多米深的地下实验室,目前正在同时进行两项实验。一个是上海交大牵头的PandaX项目,该研究尝试以氙原子核为“树”,等候暗物质的撞击;还有一个是清华大学牵头的CDEX项目,他们的靶子是高纯度锗。

  为什么要到地下找暗物质?原来,日常环境下有各种各样粒子,会对捕获暗物质构成很多干扰。如果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。对于高灵敏度的探测器,这些都是可以被探测的。

  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,意大利、美国等国家的实验团队纷纷“埋头”地下,寻找暗物质的证据。不过,这项实验的难度也不小,因为关键是要不断提高仪器灵敏度,尽可能搜集更多的数据,并在搜集到的海量数据中,尽可能去除干扰。

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