為什么要尋找暗物質(zhì)

吳晶晶　喻菲　楊維漢

當(dāng)我們仰望星空，其實(shí)只看到了宇宙的冰山一角?？茖W(xué)家將宇宙比喻成一個(gè)由三部分組成的大餅：5%的普通物質(zhì)，27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量。人類(lèi)所熟悉的普通物質(zhì)，只是零星散布的些許點(diǎn)綴，就像夜幕中無(wú)邊大海上的一點(diǎn)閃光，宇宙的絕大部分對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)是隱藏和最難了解的。

2015年12月17日清晨，數(shù)百位科學(xué)家、工程師、學(xué)生冒著零下15攝氏度的嚴(yán)寒來(lái)到酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)觀看，他們搓著手、跺著腳，興奮地等待著這一時(shí)刻。8時(shí)12分，在觀眾的屏息凝視下，長(zhǎng)二丁火箭帶著1.9噸重的中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”徐徐升上天空，大地震顫?；鸺驏|南方向的天空越飛越遠(yuǎn)，最后化作天上的一顆星逐漸消失在視野中。

10多分鐘后，“悟空”成功抵達(dá)在地球上空500公里高的太陽(yáng)同步軌道，它將用“火眼金睛”幫助科學(xué)家窺探披著“隱身衣”的暗物質(zhì)，回答現(xiàn)代物理學(xué)界最長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有找到答案的深?yuàn)W之謎。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心將暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星命名為“悟空”，取義“領(lǐng)悟、探索太空”?？茖W(xué)家們期待該衛(wèi)星能在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心“勇敢飛天”?！斑@是中國(guó)科學(xué)家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠(yuǎn)鏡，”暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)說(shuō)，“它有望深刻地變革人類(lèi)的宇宙觀，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)重大突破?！?/p>

“悟空”是中國(guó)古典名著《西游記》的主角，其形象家喻戶曉，“美猴王”（MonkeyKing）之稱也在海內(nèi)外廣為流傳。當(dāng)日有網(wǎng)友在暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的官方微博留言稱：“大圣，這一路孤獨(dú)無(wú)所伴，愿你和千萬(wàn)年前的那無(wú)所畏懼的猴子一樣所向披靡。”

為什么要尋找暗物質(zhì)？

暗物質(zhì)，披著隱身衣的“宇宙幽靈”，科學(xué)家僅知道它們存在，卻無(wú)法探測(cè)到它們。對(duì)常進(jìn)來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)就像一個(gè)從未謀面的朋友，既親切又陌生。

“宇宙中，我們能看見(jiàn)的物質(zhì)，都因?yàn)閹в须娮佣堋l(fā)光，我們能觸碰一張桌子、一面墻，感覺(jué)到它們的存在，是因?yàn)橛须姶艌?chǎng)的相互作用。而暗物質(zhì)是不帶電荷的，也沒(méi)有電磁場(chǎng)的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕跡地從身邊飛走。”常進(jìn)說(shuō)，“因此盡管我們周?chē)嬖诎滴镔|(zhì)，例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質(zhì)粒子，但我們并不能看到或感覺(jué)到?！?/p>

科學(xué)家們認(rèn)為，暗物質(zhì)是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，在宇宙演化中起著決定性作用，也決定著宇宙未來(lái)的命運(yùn)。同時(shí)，暗物質(zhì)和暗能量的研究在基礎(chǔ)物理學(xué)中也有著重要意義，因?yàn)榭茖W(xué)界公認(rèn)的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型僅能解釋占宇宙5%的普通物質(zhì)，卻無(wú)法解釋暗物質(zhì)和暗能量。

因此，暗物質(zhì)和暗能量被認(rèn)為是籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵“烏云”。美國(guó)科學(xué)家在一份報(bào)告中列出21世紀(jì)要解答的11個(gè)科學(xué)問(wèn)題，“什么是暗物質(zhì)”被列在第一位。

科學(xué)界公認(rèn)，揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎將是繼日心說(shuō)、萬(wàn)有引力定律、相對(duì)論及量子力學(xué)之后的又一次重大飛躍，將帶來(lái)物理學(xué)的又一次革命。

中科院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季說(shuō)，暗物質(zhì)粒子的探測(cè)目前是國(guó)際科學(xué)前沿競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的研究領(lǐng)域，全世界的科學(xué)家都在不遺余力地尋找暗物質(zhì)、暗能量及其隱藏的巨大科學(xué)寶藏。

暗物質(zhì)距離人類(lèi)生活如此遙遠(yuǎn)，為什么還要花這么多時(shí)間、精力和成本去尋找？科學(xué)家們回答，這一方面源自人類(lèi)對(duì)于未知的好奇心和求知欲；另一方面，科學(xué)研究的價(jià)值和意義雖然有時(shí)在短期內(nèi)無(wú)法顯現(xiàn)，但往往能帶來(lái)一些“副產(chǎn)品”，給科技和生活帶來(lái)變革。

“悟空”怎樣施展“神通”？

暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”的長(zhǎng)寬高只有1.5米、1.5米、1.2米，比一張辦公桌大不了多少。

“它體積雖小，功能卻非常強(qiáng)大。”常進(jìn)介紹，衛(wèi)星有效載荷初樣件在歐洲核子中心（CERN）進(jìn)行了3次束流實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試各項(xiàng)物理性能指標(biāo)，表明它具有能量分辨率高、測(cè)量能量范圍大和本底抑制能力強(qiáng)3大優(yōu)勢(shì)。

衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師李華旺介紹，衛(wèi)星由4個(gè)科學(xué)探測(cè)有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、BGO量能器和中子探測(cè)器，共同構(gòu)成一個(gè)高能粒子探測(cè)器望遠(yuǎn)鏡。4個(gè)探測(cè)器由上到下摞在一起，就像一個(gè)四層“大蛋糕”，它們各司其職，又聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)，可以高精度地測(cè)量入射粒子的種類(lèi)、方向、能量和電荷。

進(jìn)入太空后，“悟空”將在500公里太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行。它將采取兩種觀測(cè)模式：在頭兩年采用巡天觀測(cè)模式，由于暗物質(zhì)可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域，所以第一階段對(duì)全天掃描；兩年后衛(wèi)星轉(zhuǎn)入定向觀測(cè)模式，根據(jù)全天區(qū)探測(cè)的結(jié)果分析出暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域，并針對(duì)這些區(qū)域開(kāi)展定向觀測(cè)。

衛(wèi)星每天將傳回約16G數(shù)據(jù)量，地面100余人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析研究。首批科學(xué)成果可能在6個(gè)月至1年后發(fā)布。

在太空創(chuàng)造中國(guó)的第一次

自暗物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)80多年來(lái)，科學(xué)家還從未探測(cè)到暗物質(zhì)的明確信號(hào)。常進(jìn)坦言，如果期望暗物質(zhì)衛(wèi)星一下就能準(zhǔn)確找到暗物質(zhì)，這個(gè)期望指數(shù)太高了。暗物質(zhì)的基本物理性質(zhì)還沒(méi)有弄清楚，沒(méi)有人能百分之百保證找到暗物質(zhì)。

“但只要衛(wèi)星工作正常，就為我們打開(kāi)了一扇觀測(cè)宇宙的新窗口，必然會(huì)發(fā)現(xiàn)很多新奇的現(xiàn)象?！背＿M(jìn)說(shuō)，“衛(wèi)星除了尋找暗物質(zhì)外，還是一個(gè)宇宙射線望遠(yuǎn)鏡，可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發(fā)現(xiàn)了將近100年，但那么高能量的宇宙射線究竟來(lái)自于什么？人類(lèi)到現(xiàn)在也沒(méi)有弄清楚，這很奇怪?！?/p>

常進(jìn)說(shuō)，尋找暗物質(zhì)需要全世界科學(xué)家的共同努力，何時(shí)能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)尚難以預(yù)計(jì)。至于發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)后能如何利用，常進(jìn)介紹，量子物理剛發(fā)現(xiàn)時(shí)，人們認(rèn)為一點(diǎn)用處都沒(méi)有，但是現(xiàn)在什么都與量子物理有關(guān)系。

“我們只有弄清暗物質(zhì)的物理本質(zhì)以后，才能說(shuō)它對(duì)未來(lái)產(chǎn)生什么作用，但是物理的進(jìn)步會(huì)導(dǎo)致科技的進(jìn)步，這是百分之百肯定的。”他說(shuō)。

暗物質(zhì)衛(wèi)星工程總師艾長(zhǎng)春說(shuō)，以前中國(guó)科學(xué)家只能將研制的儀器搭載在其他衛(wèi)星上開(kāi)展空間科學(xué)研究，發(fā)射“悟空”，是第一次由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的大型空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

有專家稱，中國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射已有45年，但中國(guó)的空間科學(xué)衛(wèi)星還未成系列?，F(xiàn)在中國(guó)已成為航天大國(guó)，要向航天強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，就不能沒(méi)有空間科學(xué)衛(wèi)星。

目前中國(guó)基礎(chǔ)研究投入占總研發(fā)投入比重僅為5%左右，而美國(guó)、德國(guó)分別為40%、28%。常進(jìn)說(shuō)：“以前我們和國(guó)際上差太多了，人家跟我們都不討論。今天在某些領(lǐng)域，我們和國(guó)際同行平起平坐。只要大家埋頭干，中國(guó)的科學(xué)家會(huì)在不久的將來(lái)取得一系列重大突破?！?