為什麼科學家們要上天入地苦苦追尋暗物質？

2015年12月17日，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功發射暗物質粒子探測衛星「悟空」，此次「悟空」將去太空尋找神秘暗物質存在的證據，也標誌著中國空間科學研究邁出重要一步。

暗物質粒子探測衛星「悟空」

暗物質到底是什麼？為什麼科學家們要上天入地苦苦追尋暗物質？8月20日，上海書展分會場科學會堂舉辦了一場人氣爆棚的講座，上海科協大講壇邀請了三位重量級主講科學家——中科院院士、上海交通大學天文與天體物理中心主任景益鵬院士；中科院紫金山天文台的副台長、暗物質粒子探測衛星首席科學家常進教授；上海市粒子物理和宇宙學重點實驗室主任季向東教授；為廣大市民詳釋神秘的暗物質。

中科院紫金山天文台的副台長、暗物質粒子探測衛星首席科學家常進教授發言。

主宰著世界的暗物質到底是什麼？

20世紀，科學家發現宇宙在不斷膨脹，並發現了宇宙微波背景輻射，通過宇宙微波背景輻射，科學家推出了宇宙的年齡、能量密度和膨脹速度。問題在於，如果沒有一類新粒子，其引力效應比已知粒子的引力效應大，那麼宇宙就進步不成現在的樣子。科學家們就把這種還沒發現的粒子叫做「暗物質」，暗物質不發射光子、不吸收不散射光子，也不參與電磁作用，人們目前只能通過引力產生的效應感受它的存在。

季向東教授介紹：「宇宙當中可見物質占宇宙總能量5%，暗物質佔了27%。所以從某種意義上講，暗物質統治主宰了整個宇宙。我們可以確定的是暗物質的壽命一定很長，超過宇宙的壽命。世界許多理論物理學家提出了各種不同的理論，目前最主流的力量，將暗物質視作弱相互作用重粒子，叫WIMPS。弱相互作用是四大相互作用之一，李政道和楊振寧就是因為研究它而獲得諾貝爾獎。」

「暗物質和普通物質幾乎沒有相互的作用，所以穿透力出奇的強。一個暗物質粒子，可以在地球的這一端，很輕鬆跑到地球另一端，也可以很輕鬆地穿過太陽。因此暗物質是不可能用個瓶子來裝起來的。」季向東教授打趣道，如果有人要賣給你暗物質，可千萬別相信。

暗物質有多大呢？根據目前理論，大概每平方厘米每秒鐘，可能有上億個粒子。「就是現在每秒鐘、每平方米中，穿透你的暗物質粒子大概有上億甚至上百億。如果暗物質粒子跟普通物質沒有相互作用的話，我們永遠沒有辦法來感知它的存在。我們只有通過天文學，通過引力來探測暗物質的存在，但是我們沒有可能在實驗室當中來進行研究。」

既然無法在實驗室研究，那麼我們如何找到暗物質？

第一是模擬宇宙大爆炸，利用大型強子對撞機，把粒子加速再讓它們相撞，模擬宇宙大爆炸之初的樣子，看看能否撞出什麼東西來，也許有助於發現暗物質。至今科學家用這一方法還未有發現。

第一種方法 「科普中國」 圖

第二種方式是直接探測。「許多理論家認為，暗物質很有可能有弱相互作用，因為弱相互作用，暗物質粒子就會與物體上的原子發生碰撞，我們就可以通過武力手段觀測被撞飛的原子。」季向東說，「這一方法像『守株待兔』，希望暗物質粒子能撞到我們身上。」

所謂「上天入地探尋暗物質」，這第二種直接探測法就是「入地」。季向東教授進一步說明，由於暗物質粒子與普通粒子碰撞發出的信號極其微弱，想要聽到這樣的信號，必須在一個非常安靜的地方。「就好比你不會在鬧市區聽音樂，我們則要逃到地底下去，越往下干擾越少。每往地下延伸1000米，宇宙射線的干擾就減少10倍。科學家就在地下挖一大坑，將精密儀器放在坑底探測。」

第二種方式 「科普中國」 圖

目前，世界上岩石覆蓋最深的實驗室就是中國四川錦屏地下實驗室。錦屏地下實驗室就藏身於錦屏山腹部的隧道中部，垂直岩石覆蓋達2400米。與其相比，位於義大利中部格蘭薩索山區的歐洲地下試驗室就像個遊戲室。在川藏群山下，粒子物理學家最頭痛的宇宙射線的強度僅為格蘭薩索山區的1/200，為實驗提供了「乾淨」的環境。

錦屏地下實驗室二期工程施工現場。圖片來自網路

錦屏地下實驗室示意圖。圖片來自網路

講完「入地」講「上天」，「上天」就是目前第三種探測暗物質的方式——空間間接探測。「暗物質本身不可見，但它產生的一些粒子是可見的，通過探測這些可見的粒子，去間接推測或探測暗物質粒子，所以這叫間接法。」常進教授解釋。

第三種探測暗物質的方式。 「科普中國」 圖

「由於暗物質粒子湮滅或衰變能產生伽瑪射線、宇宙射線、中微子等人類可以觀測的粒子，科學家找到了探測暗物質的契機。中國的暗物質粒子探測衛星，要在太空中高精度測量伽瑪射線、宇宙射線的能譜以及空間分布，以此來間接尋找暗物質粒子存在的證據。」

「悟空」作為我國第一顆空間高能粒子探測器，暗物質粒子探測衛星擁有很多中國獨有的技術。比如探測器最核心的組成部分——BGO量能器，既能測量粒子能量、又能區分粒子種類。量能器的BGO晶體，此前世界範圍內最長只有30厘米，而中科院上海硅酸鹽所成功研製生產出60厘米晶體。BGO量能器數據讀出的動態範圍，也是同類型探測器中最大的。

按照原定計劃，暗物質粒子探測衛星上天之後主要進行巡天觀測，即望遠鏡背對地球，對太空進行比較均勻的掃描觀測，長時期積累數據。如果2年巡天后發現某些天區有值得深入挖掘的信息，那時衛星的觀測模式將進行調整，由巡天觀測轉入定點觀測模式，對一些重點區域進行更充分的觀測。

常進教授說，今年3月，科研人員對已經上天的「悟空」進行了測評，各項指標都達到標準。「如果指標評定是100分，『悟空』就獲得了100分。現在的情況，大約每秒有10萬個高能粒子打到衛星上，把大部分過濾掉後，『悟空』選擇100多個高能粒子傳輸到地面，這是能量測量的情況。可見光光子的能量大約是1電子伏特。而暗物質粒子探測衛星對電子宇宙射線的探測有望超過10萬億電子伏特，鑒別粒子的本領很強。目前，『悟空』每天探測500萬粒子。」

那麼「上天」和「入地」這兩個探測方法哪個更好一些？常進教授向聽眾們解釋：「由於還沒有弄清楚暗物質粒子的物理性，所以沒有辦法判斷哪種方法好。」季向東教授補充：「兩種方法探測的是不同的東西，暗物質是超出我們想像的東西，只能說我們都在各自的領域中尋找各自的解釋。」

「無論是地下的實驗還是天上的探測，都是極其複雜的兩個科學探索實驗。但毫無疑問，在直接、間接探測方面，中國已經走在了世界的前沿，這點是非常讓人興奮的。」景益鵬院士說道。

景益鵬院士說，常有人問他人們為什麼要苦苦追尋暗物質：「簡單地說，就是根據現在的各種物理學理論，我們需要暗物質。宇宙137億年的演化，暗物質起了決定性的作用。如果沒有暗物質的存在，現在的整個銀河系、太陽系就不是目前的樣子。一年前出現相對論、量子力學，所有人都認為沒有用，但一百年後的今天，你手機里所有的晶元、電腦、互聯網的發明都源於一百年的理論。也許一百年後你的生活從早到晚全是暗物質。」

從大爆炸開始，宇宙已經存在了137億年，而人類文明史不過3000-5000年；整個宇宙中有上千億的銀河系，而太陽只是我們所在銀河系裡的一顆恆星。「無論從時間還是空間角度上看，人類都是微不足道的。但是人類值得引以為豪的特點是會思考。近代科學發展至今不過幾百年，卻已經把世界的規律摸索得這麼清楚，很難找到什麼東西是不能吻合現行的運作標準模型，暗物質粒子的發現還將直接證實標準宇宙學模型的正確性。暗物質決定了我們的過去，決定了我們的未來。」季向東教授認為，暗物質這個謎團，是對人類智慧的最終挑戰。

現階段找不到暗物質是不是就代表了失敗？季向東教授說，不能這樣看。「過去15年，我們的探測靈敏度增加了3、4個數量級，這本身就是一個巨大的進步。探測器好比是一架飛機，目前所搜了整個太平洋，接下來的10-15年，搜索的範圍會更廣、靈敏度還會提高，還會催生新的領域，」季向東教授強調，零的結果不是沒有意義，相反意義很大，「在探索宇宙未知的同時，我們留下了巨大的福音。」

在講座的尾聲，季向東教授發出感嘆：「在過去幾百年的物理、化學發展史上，幾乎沒有中國人的貢獻，在教科書中都是牛頓、愛因斯坦這樣的西方人名字。如今人類已經把許多謎團解開，現在剩下最後一些保留，在暗物質領域，我們希望一百年、二百年後，能在教科書中出現中國人的名字。現在機會就在我們眼前，不能再錯過。」

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