暗物質(zhì)：我們身邊的隱形“居民”

吳月輝

在2月18日舉行的美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)年會(huì)上，美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)家丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)外宣布，阿爾法磁譜儀發(fā)現(xiàn)了弱作用重粒子（WIMP）存在的證據(jù)，而WIMP就是一種暗物質(zhì)的候選體；丁肇中稱(chēng)，將于未來(lái)兩到三周發(fā)表涉及暗物質(zhì)的研究論文，對(duì)這項(xiàng)研究的進(jìn)展作詳細(xì)闡述。據(jù)報(bào)道，這次研究成果在丁肇中看來(lái)是朝著人類(lèi)認(rèn)識(shí)暗物質(zhì)方向前進(jìn)的重要一步，但不是最終答案。

不管此次阿爾法磁譜儀是否發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，各國(guó)科學(xué)家們都希望有關(guān)暗物質(zhì)起源的問(wèn)題能夠變得更加明朗。

什么是暗物質(zhì)？在回答這個(gè)問(wèn)題以前，我們先回顧一段有趣的歷史。

自從牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律以來(lái)，人們嘗試用萬(wàn)有引力理論來(lái)解釋太陽(yáng)系的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律。盡管萬(wàn)有引力的解釋在開(kāi)始時(shí)是非常成功的，但在解釋天王星運(yùn)動(dòng)時(shí)卻無(wú)法得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果，天王星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和萬(wàn)有引力的預(yù)言有明顯的差異。法國(guó)天文學(xué)家U.Le Verrier和英國(guó)天文學(xué)家J.C.Adams猜測(cè)天王星的異常也許不是萬(wàn)有引力規(guī)律出了問(wèn)題，而是在太陽(yáng)系中還存在一顆當(dāng)時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的行星，這顆行星的引力使得天王星的運(yùn)動(dòng)偏離了原來(lái)預(yù)期的軌道。根據(jù)他們的預(yù)言，于1846年由J.G.Galle發(fā)現(xiàn)了這顆行星，即海王星。

“由行星運(yùn)動(dòng)異常從而猜測(cè)到另外一顆未發(fā)現(xiàn)的行星的存在，非常類(lèi)似今天我們關(guān)于暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T畢效軍說(shuō)。

大約80年前，天文學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)，一些星系團(tuán)中的星系運(yùn)動(dòng)速度比預(yù)想中更快，光靠所看到的這些發(fā)光物質(zhì)（當(dāng)時(shí)人們還沒(méi)發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中大量存在-x射線(xiàn)氣體，它們才是星系團(tuán)中普通物質(zhì)的主體）所產(chǎn)生的引力場(chǎng)根本無(wú)法束縛住它們。因此，大家便猜測(cè)這些星系團(tuán)中應(yīng)該有種看不見(jiàn)的神秘物質(zhì)，也一起貢獻(xiàn)著引力，拉住了星系。

“雖然我們從來(lái)沒(méi)有直接‘看到宇宙中存在這種物質(zhì)，但我們卻發(fā)現(xiàn)了由于這種物質(zhì)的引力作用對(duì)于其他可見(jiàn)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，這就是我們斷定宇宙中存在這種物質(zhì)的理由?！碑呅к娬f(shuō)。

這種物質(zhì)的存在，在隨后幾十年中，又相繼被各種天文觀測(cè)間接證明。

目前被廣為接受的說(shuō)法認(rèn)為，它們是一種特殊的物質(zhì)，很可能是一種不參與電磁相互作用的、我們已知的粒子（如質(zhì)子、電子、中子等）之外的全新粒子。

“這種物質(zhì)不發(fā)光，也就是不發(fā)出電磁波，所以看不見(jiàn)。于是，我們就稱(chēng)它為暗物質(zhì)?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T、博士生導(dǎo)師張新民說(shuō)，“與通常物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)有引力作用。這個(gè)引力效應(yīng)讓天文學(xué)家在宇宙空間發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個(gè)世界的‘常規(guī)物質(zhì)只占4%?！?/p>

雖然，人們?cè)缫呀?jīng)猜測(cè)到暗物質(zhì)可能存在，但一直以來(lái)從未明確探測(cè)到暗物質(zhì)粒子，因此，還不能確定暗物質(zhì)的性質(zhì)。

目前，尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘、結(jié)合粒子物理和宇宙學(xué)的研究已成為21世紀(jì)天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。世界各國(guó)都在集中人力、物力和財(cái)力組織攻關(guān)，開(kāi)展這一重大交叉學(xué)科的研究。

2004年8月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)公開(kāi)發(fā)布的物理與天文學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略中，列出了新世紀(jì)要解答的11個(gè)難題，排在第一位和第二位的分別是“什么是暗物質(zhì)”、“暗能量的本質(zhì)是什么”。

那么，探測(cè)和研究暗物質(zhì)，其意義何在？

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀(jì)末和21世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)的最大烏云，它將預(yù)示著物理學(xué)的又一次革命?！?/p>

其實(shí)，很多物理學(xué)家和天文學(xué)家都開(kāi)始有這樣的預(yù)感：今天物理學(xué)的情況與19世紀(jì)末20世紀(jì)初誕生相對(duì)論和量子論時(shí)非常類(lèi)似。

“歷史經(jīng)過(guò)百年輪回，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)又一次處在了十字關(guān)口，暗物質(zhì)便是一個(gè)關(guān)鍵的突破口。因此，可以這么說(shuō)，揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎將是繼哥白尼的日心說(shuō)、牛頓的萬(wàn)有引力定律、愛(ài)因斯坦的相對(duì)論以及量子力學(xué)之后，人們認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的又一次重大飛躍。”國(guó)家天文臺(tái)研究員秦波說(shuō)。

對(duì)此，張新民又做了進(jìn)一步的解釋。

“對(duì)于宇宙中4%的物質(zhì)，即所謂的通常物質(zhì)，我們已經(jīng)建立了一套非常完備的理論，即所謂標(biāo)準(zhǔn)模型，但是標(biāo)準(zhǔn)模型并不能描述宇宙中暗物質(zhì)的現(xiàn)象。這就表明，我們對(duì)于物質(zhì)的基本組元、基本結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步的深入研究。而暗物質(zhì)是目前最明確的突破了標(biāo)準(zhǔn)模型的觀測(cè)現(xiàn)象，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)就可能帶我們走進(jìn)基本粒子更加深入細(xì)微的結(jié)構(gòu)中，了解更加深刻、基本的物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律。在另一方面，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)對(duì)于我們理解宇宙中像星系、星系團(tuán)這樣的大尺度的結(jié)果是如何在宇宙演化過(guò)程中形成也同樣具有重要的意義?！?/p>

暗物質(zhì)之所以“暗”，不僅是指它不發(fā)光，更重要的是它太難捉摸。

“每天可能有幾萬(wàn)億個(gè)暗物質(zhì)以高速穿過(guò)你的身體，且未留下任何痕跡，讓你完全感受不到?！睆埿旅褡隽藗€(gè)比較，56式半自動(dòng)步槍子彈出膛的速度是每秒700米，而這些暗物質(zhì)粒子卻是以每秒220千米的高速在運(yùn)動(dòng)，是前者的300倍。

如何“捕捉”住暗物質(zhì)？

首先，科學(xué)家們?cè)鴮?duì)這種物質(zhì)可能的形態(tài)做過(guò)很多理論上的猜測(cè)，例如，惰性中微子（Sterile neutrino）溫暗物質(zhì)、引力微子（Gravitino）溫暗物質(zhì)、軸子（hxion）冷暗物質(zhì)等。

張新民說(shuō)：“就目前而言，被研究得最多也是最被粒子物理學(xué)家看好的暗物質(zhì)模型是所謂弱作用重粒子。主要因?yàn)檫@種粒子與普通物質(zhì)有弱相互作用，所以具有可探測(cè)性。相比之下，對(duì)于許多其他的暗物質(zhì)模型，由于其與普通物質(zhì)的相互作用更弱，在目前的實(shí)驗(yàn)水平下使得探測(cè)它們的可能性更小?！?/p>

接著，科學(xué)家們又想了很多種實(shí)際探測(cè)的實(shí)驗(yàn)辦法。

最初的辦法是天文觀測(cè)法，但是卻無(wú)法解答“暗物質(zhì)是什么”。后來(lái)，人們又采取間接探測(cè)和直接探測(cè)的辦法。前者，是探測(cè)暗物質(zhì)相互碰撞產(chǎn)生的普通物質(zhì)粒子信號(hào)，一般通過(guò)地面或太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)；后者，則是用原子核與暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)。而在地面上，因?yàn)橛钪嫔渚€(xiàn)眾多，這些信號(hào)會(huì)對(duì)直接探測(cè)產(chǎn)生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實(shí)驗(yàn)室可以幫助探測(cè)器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。

“丁肇中團(tuán)隊(duì)所使用的阿爾法磁譜儀2號(hào)（AMS—02）當(dāng)然是目前靈敏度最高，也是最復(fù)雜、最昂貴的一臺(tái)暗物質(zhì)探測(cè)設(shè)備，代表了當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)的最高技術(shù)手段。在此之前，在不同的實(shí)驗(yàn)上都看到了一些‘反常跡象，人們懷疑這些就是暗物質(zhì)的信號(hào)，但是由于實(shí)驗(yàn)的靈敏度還不夠，這些跡象都還無(wú)法確認(rèn)為暗物質(zhì)的信號(hào)?！碑呅к娬f(shuō)。

除了阿爾法磁譜儀，其他實(shí)驗(yàn)，例如位于瑞士的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，以及深埋在中國(guó)四川錦屏地下的暗物質(zhì)探測(cè)器實(shí)驗(yàn)等也還都在進(jìn)行當(dāng)中，他們都可能在不遠(yuǎn)的未來(lái)有所新發(fā)現(xiàn)。

“世界范圍內(nèi)的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)正在蓬勃發(fā)展，未來(lái)10年、20年將是暗物質(zhì)探測(cè)的黃金時(shí)代，肯定也會(huì)有所突破?！鼻夭ㄕf(shuō)。

（摘自2013年2月26日《人民日?qǐng)?bào)》）

責(zé)編：周正旺