暗物質：尋它千百度未在闌珊處

科技 04-25

暗物質：尋它千百度未在闌珊處

藝術家筆下暗物質的抽象圖

核心提示：「夜晚的黑暗是一隻口袋，一隻裝滿了發出黎明金光的口袋。」印度詩人泰戈爾在《飛鳥集》中的這句詩想表達，我們要從黑暗中尋找黎明的金光。而今天，科學家們用自己的實際行動在光明中尋找「黑暗」，它就是被譽為「宇宙幽靈」的暗物質。

12月17日，我國在酒泉衛星發射中心用長二丁火箭發射升空的暗物質粒子探測衛星「悟空」，就是帶著這份使命前行的。那麼，什麼是暗物質? 找到它到底有多難？探索它又有何意義?

暗物質為何物：請不要相信眼睛

「千萬別相信你的眼睛，有些東西不是用眼睛就可以看到的。」空間科學專家常進研究員在接受媒體採訪時，說起暗物質就像在說一個既親切又陌生的老朋友，即使這位「老朋友」從未、也根本無法「謀面」。

很多人對這位看不見的「老朋友」最直觀的認識是來自科幻作品。比如在電影《變形金剛》中，有一輛由暗物質驅動進行星際航行的飛船;在前不久斬獲世界科幻文壇最高獎的小說《三體》里，暗物質是太陽系遭受高級外星文明攻擊後的隱形殘骸;熱門美劇《生活大爆炸》里的男主角「謝耳朵」趕時髦地轉行研究暗物質……

事實上，用「沉默的大多數」來形容暗物質一點都不為過。若把宇宙想像成一個圓，那麼這個圓的最大部分是暗能量，佔比68%，這是加速宇宙膨脹的一種神秘力量。另外27%是暗物質，這種神秘的物質圍繞著星系而存在，並通過引力相互作用，不參與其他電磁作用。剩下的5%才是我們常見的物質。

在宇宙中佔比最多的東西反而是人類最難了解的，這無疑為天體物理學的天空濛上了一層「烏雲」，這些「沉默的大多數」就像披上了一件神秘的隱身衣讓人對其無從下手。

「在宇宙中，我們能看見的物質都因為其帶有電子能『發光』，就像我們觸碰一張桌子、一面牆，感覺到它們的存在是因為有電磁場的相互作用。與此不同的是，暗物質是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，卻能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕迹地從身邊飛走」，常進這樣向「入門級」天文愛好者描述暗物質是不無道理的，因為據資料顯示，每秒大約有上億個暗物質粒子穿透我們的身體，其運動速度為220公里/秒，是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。

由於它們太弱又速度太快，導致人體的感知系統無法感應它們的存在。然而，科學家們卻無法「跟著感覺走」而忽視它們的存在。

為了撥開這層被人們比作「籠罩在21世紀物理學天空中的烏雲」，世界各國的科學家從20世紀30年代至今，從未停止過對暗物質的探索。雖然目前還沒人知道它到底是什麼，但它一旦被發現，就可能顛覆人類對宇宙的認識與了解……

暗物質是否存在：它並不只是個傳說

也許你會說，既然暗物質憑藉肉眼看不見，即便是藉助工具也檢測不到它，又憑什麼說它真的存在?有沒有可能它根本就不存在，就像傳說中的龍一樣?

事實上，目前我們所知道的大量事實都證實暗物質真的存在。

比如，荷蘭科學家奧爾特在1932年根據銀河系恆星的運動，提出銀河系裡面應該有更多的質量，並提出了暗物質的假說。1933年，美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茨·茲威基使用維里定理推斷出宇宙中也許有看不見的物質……

隨意翻開一本關於暗物質的書籍就可以看到這樣一段介紹：支持暗物質假說主要的觀測證據之一是旋轉曲線，即在研究漩渦星系時，科學家發現，其吸引力所需要的質量遠遠超出我們所能觀測到的物質總量，否則行星就會衝破引力的束縛飛向茫茫宇宙。以此來進一步推斷，在人類已知的物質之外，可能還有另外一種物質存在。

「當然，尋找暗物質的方法並非只有一種。比如，引力透鏡的一些發現也支持著暗物質假說的成立。」專家馮磊在接受媒體採訪時表示，因為暗物質既不發射光子，又不吸收或散射光子，也不參與電磁作用，因此，對於這樣一種走「高冷」路線的物質，目前人們只能通過引力產生的效應感受它的存在。

「然而，世界上的確有很小一部分物理學家提出，可能是引力理論不完善，不存在暗物質。我個人認為存在暗物質的可能性更大，當然修改引力理論的努力也值得鼓勵和支持。」專家范一中誠懇地說。

從某種意義上說，人類對暗物質的研究，有點像中國古老寓言里「盲人摸象」的過程：因為無法感知眼前那個龐然大物到底是什麼，所以只能各展神通地去「觸摸」。然而，到底孰對孰錯?唯有一次次嘗試。

如何找尋暗物質：如音樂會上辨別蚊子聲

曾經有一位國內的物理學家把暗物質比作宇宙中的「霧霾」，地球則是在「霧霾」中行駛的汽車，「霧霾」中的顆粒撞擊汽車就會發出「響聲」，探測實驗任務就是把這種「響聲」記錄下來。

目前，探測實驗的主要困難就是宇宙射線以及地球上無處不在的放射性，要盡最大可能排除其對實驗本身的干擾。用這位物理學家的話說，就是去掉汽車和周邊環境產生的各種聲音。

暗物質的「聲音」到底有多小?「就好像聽眾坐在第一排聽音樂會，還要聽清30米外一隻蚊子的嗡嗡聲。」這位物理學家比喻說。

「由於目前世界上沒有人確定暗物質是什麼，所以現階段開展的探測手段大概有3種：一種是模擬宇宙大爆炸。主要是通過加速器進行探測，即通過高能粒子對撞模擬宇宙大爆炸時的情景，把暗物質製造出來;第二種空間間接探測，即探測暗物質湮滅或衰變所產生的伽馬射線或宇宙射線;第三種是直接探測，即探測地球附近的暗物質粒子與普通物質極其罕見的碰撞所產生的一些信號。它們相互互補，缺一不可。」范一中認真地回答。

為了探測和感知暗物質，前沿探索領域的科學家們可謂是煞費苦心，「上天入地」苦苦追尋。

阿爾法磁譜儀(AMS)是目前世界上公認的靈敏度最高、最複雜的一台暗物質探測設備。中國航天科技集團公司共為阿爾法磁譜儀項目研製了3個永磁體主結構件，一個是地面試驗件，用於各種複雜情況下的地面試驗驗證;一個是飛行件，該飛行件已經在1998年搭乘美國發現號太空梭往返了一趟國際空間站;還有一個飛行件則是用於進行破壞性試驗的，是為了驗證即使固定每個磁單元的膠上天后失效，整個磁鐵也能正常工作。

「特別是第二個飛行件，在AMS-01上天后回到地面，再到AMS-02上天，相隔了13年。在這13年里，磁鐵的磁場變化小於1%，非常穩定。」美籍華人物理學家、諾貝爾獎獲得者丁肇中多次表示，如果沒有中國航天，就不會有阿爾法磁譜儀項目。

2013年，丁肇中率領的研究團隊宣布，阿爾法磁譜儀發現了「弱作用重粒子」存在的證據，而「弱作用重粒子」就是一種暗物質的候選體，這意味著人類向認識暗物質的方向前進了重要的一步。

緣何尋找暗物質：越弱越暗越美麗

曾經稱暗物質是「越弱越暗越美麗」的中山大學天文與空間科學院院長李淼認為，科學有兩種功能，一種是價值觀的貢獻，是滿足人類對世界的好奇心和探索、解釋的慾望。另一種則是從科學引發出來的技術，確實在改變著普通人的生活。其實，對暗物質的探索基本上是屬於前者。

「如果沒有暗物質，恆星、星系就不會形成，沒有它，就沒有人類。暗物質的發現，完全就像給人類打開了一扇未知的門。即便我們發現了暗物質，還有很多等待我們發現的新東西。尋找暗物質這件事本身就是一件很幸福的事情啊。」李淼說。

換而言之，當年，愛因斯坦也想不到量子力學和相對論有什麼應用價值，但是今天我們每個人用到的手機等通信設備，哪一個離得開這些科學發現?所以，無論是大型強子對撞機還是阿爾法磁譜儀，目的不僅僅是尋找暗物質或反物質，還有很多是為了科學研究和推動人類進步。

楊振寧先生曾對暗物質作過如此表述，所謂暗物質、暗能量就是非常稀奇的事物，這裡面可能引出基本物理學中革命性的發展，假如一個年輕人，他覺得他一生的目的就是要做革命性的發展，他應該去學天體物理學。

21世紀初，在美國國家研究委員會的一份報告中，「什麼是暗物質」被執筆的科學家們列為新世紀要解答的11個科學問題之首。科學家對它孜孜不倦地探尋，必將推動人類離這個答案近一步、更近一步……(來源中國航天報·飛天科普周刊)

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