“通緝”暗物質(zhì)

張　欣

讀書時代，第一次聽到“暗物質(zhì)”，陳學雷想到了柏拉圖《理想國》中的那個洞穴：

在一個洞穴中有一群囚犯，他們手腳都被捆綁，身體也無法轉(zhuǎn)動，只能背對著洞口。他們面前有一堵墻，身后燃燒著一堆火。在那面墻上他們看到了自己以及身后到火堆之間事物的影子，由于他們看不到任何其他東西，這群囚犯會以為影子就是真實的東西。

他們其中一個人掙脫了枷鎖，摸索著出了洞口。他第一次看到了真實的事物。他返回洞穴并試圖向其他人解釋，那些影子其實只是虛幻的事物，并向他們指明光明的道路。但其他囚犯不相信，他們認為只有墻上影子才是真實。

“暗物質(zhì)”的存在，讓陳學雷明白，在浩瀚宇宙中，除了“墻上的影子”，還有更多人類未知的秘密有待破解。人類“掙脫枷鎖”的過程可能漫長，但一旦破譯“暗物質(zhì)”，就像走出洞穴的那一步，將是歷史性的。

像幽靈一樣穿透地球

20世紀30年代初，瑞士天文學家Fritz Zwicky發(fā)驚人之語：在星系團中，看得見的星系只占總質(zhì)量的不足1／300，而99％以上的質(zhì)量是看不見的。

99％的星系團的質(zhì)量下落不明!

茲威基用的是“以明察暗”的方法，道理類似盤查走私船只——一艘貨輪，如果船主申報貨物的數(shù)量和質(zhì)量同貨輪的吃水深度不相符合，那么它很可能夾帶黑貨。茲威基認為，“貨輪”是星系團，“申報的貨物”是看得見的星系，而“黑貨”就是下落不明的物質(zhì)。

這是最早的暗物質(zhì)的存在證據(jù)。

茲威基繼而提出“暗物質(zhì)”這一概念：遙遠的星系團里有一些物質(zhì)很獨特，它們既不發(fā)散光，也不吸收光、反射光。

中國科學院國家天文臺宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團組首席研究員陳學雷告訴《瞭望東方周刊》：“通過計算星系團受重力束縛運動所需要的重力場，并對比星系團中看得到的物質(zhì)所產(chǎn)生的重力場，科學家發(fā)現(xiàn)后者最多占總數(shù)的10％?！边@種計算方法同測定海王星以及天狼星的伴星存在一樣。

“也就是說，我們看得到的物質(zhì)，包括星系以及星系之間的介質(zhì)，都不足以把星系團吸引在一起?！标悓W雷繼續(xù)解釋說，大量的對自然界中的電磁力“免疫”的不明物質(zhì)肯定存在。

確定了暗物質(zhì)的存在，“暗物質(zhì)究竟是什么”成了科學家們繼續(xù)關(guān)注的問題。人們首先想到的是不發(fā)光的普通物質(zhì)，如氣體、行星、已經(jīng)冷卻的白矮星等。但假設(shè)和推測一個個被推翻，研究證明它們不足以構(gòu)成暗物質(zhì)的主要部分。

“目前人們已確認占宇宙總密度約20％～25％的物質(zhì)是暗物質(zhì)，它是普通物質(zhì)密度的4到5倍?！标悓W雷說，種種天文學觀測證據(jù)都表明，這些暗物質(zhì)不可能由現(xiàn)在物理學上已知的任何一種粒子組成。甚至中微子，已知的物質(zhì)中最難探測的一種質(zhì)量非常輕、運動速度接近于光速的相互作用非常微弱的粒子(可以輕易穿過地球，甚至可以穿過很多地球)，也無法擔當暗物質(zhì)的角色。

“我們已知的就是暗物質(zhì)是相互作用很弱、同時運動速度遠小于光速。”陳學雷介紹說，為了揭開暗物質(zhì)的神秘面紗，科學家們提出了一些大膽的假設(shè)：有的科學家猜想暗物質(zhì)是人類未知的宇宙粒子的“超對稱伙伴”；還有的猜想暗物質(zhì)是三維空間以外的空間產(chǎn)物。

暗能量“復活”宇宙常數(shù)

“暗能量”最早來自理論猜測。為了不使星球由于相互吸引而擠在一起，愛因斯坦假設(shè)宇宙中存在一種與引力相對抗的排斥力，就是“宇宙常數(shù)”，從而使宇宙保持靜態(tài)的穩(wěn)定。

在發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹這個事實后，愛因斯坦就把“宇宙常數(shù)”從他的宇宙方程中抹去。但幾十年后，“宇宙常數(shù)”又復活了。

1998年，天文學家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴張，所有遙遠的星系遠離我們的速度越來越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的能量，科學家們把它稱為“暗能量”。

近年來，科學家們通過各種觀測和計算證實，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導地位，它的總量約達到宇宙總量的73％，而宇宙中的暗物質(zhì)約占23％、普通物質(zhì)僅約占4％。

“宇宙常數(shù)”化身“暗能量”成為宇宙的主導。

2004年，美國斯坦福大學的天體物理學家Andrei Linde領(lǐng)導的研究小組對宇宙中的暗能量進行計算后宣布，宇宙至少還能活240億年。

他們利用哈勃望遠鏡觀察到：一些超新星離我們遠去的速度比以前觀察到的超新星更快，這意味著宇宙膨脹速度比我們預期的更快。

暗能量和引力的角力將一直持續(xù)。240億年后，暗能量產(chǎn)生的排斥力會否從引力手中徹底奪得控制權(quán)，以前所未有的速度推動宇宙膨脹?星系是否會全被撕裂開來導致宇宙動蕩?對于人類，這還是很遙遠的事情。

“但暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴人類，自然界是不可思議的!”陳學雷說，難以知曉的暗物質(zhì)和暗能量刺激著人們?nèi)ヌ剿饔钪娴恼嫦?，而一旦破譯暗物質(zhì)和暗能量的秘密，掌握了過去和現(xiàn)在為止的宇宙規(guī)律，“帶來的科技進步將是革命性的?！?/p>

上天入地尋找暗物質(zhì)

如果真正找到“暗物質(zhì)”，對人類的將來會產(chǎn)生怎么樣的影響?

陳學雷坦言，目前對暗物質(zhì)和暗能量可能帶來的影響并不清晰。

“但就像愛因斯坦的相對論剛發(fā)表時，誰能想到這樣一個理論會催生原子彈爆發(fā)?像電磁學誕生的時候，誰能想到它會帶給人類生活如此巨大的變化?”陳學雷認為，加起來占了宇宙總密度95％的暗物質(zhì)和暗能量一旦被破譯，潛力巨大。

也正是為了解答這些問題，“三路并進，尋找睹物質(zhì)”已經(jīng)被提上議事日程。

未來我國將發(fā)射專門的衛(wèi)星，或者利用未來的空間站搭載探測裝置，還將利用我國已經(jīng)研發(fā)出的一些高能粒子探測技術(shù)，探測暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的宇宙線電子、伽馬光子和反物質(zhì)。紫金山天文臺、中國科學院高能物理所都有類似利用航天技術(shù)開展空間暗物質(zhì)探測實驗的計劃。

事實上，中國科學家已經(jīng)在進行類似的研究。自1998年以來，美國ATIC實驗在南極上空釋放了多個搭載宇宙線探測器的氣球，南京紫金山天文臺空間天文實驗室主任常進帶領(lǐng)項目人員研制的探測器對高能電子進行探測后，發(fā)現(xiàn)高能電子流量在3000億,--8000億電子伏特能量區(qū)間遠遠超出了一般模型預計的流量。經(jīng)過10年的數(shù)據(jù)分析，科學家認為這種高能電子流量的“不平滑”分布就是暗物質(zhì)粒子湮滅的證據(jù)。

“在地面方面，我國剛剛建成的LAMOST光學望遠鏡即將開始觀測，利用該望遠鏡觀測星系的分布，可以了解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，這是探測暗能量的一種重要方式?！标悓W雷介紹說，我國西藏羊八井有兩個宇宙線觀測設(shè)備(分別與日本和意大利合作)，可以通過觀測宇宙線間接探測暗物質(zhì)的一些信號。同時，我國也在研究建造更大的羊八井宇宙線探測器。

另外，我國現(xiàn)在已計劃在四川西昌附近的錦屏山建設(shè)地下實驗室，開展暗物質(zhì)直接探測工作。

“錦屏山地下實驗室建在隧道里，上面是2500多米厚的山體巖石，”陳學雷告訴記者，巖石可以有效屏蔽宇宙線輻射，就可以放人高敏感度的探測器。

陳學雷說，我國在南極冰穹A建立了昆侖站，目前有理由認為昆侖站可能是一個具有世界——流觀測條件的站址。

尋找暗物質(zhì)，中國已發(fā)出“通緝令”。