尋找暗物質(zhì)

章 江

酷似幽靈難現(xiàn)身

我們仰望星空時發(fā)現(xiàn)，除了太陽、月亮和星星，宇宙是空蕩蕩的。但實際上，這只是一種錯覺?？茖W(xué)家的研究表明，宇宙的密度由約4.9%的普通物質(zhì)、26.8%的暗物質(zhì)和68.3%的暗能量組成。也就是說在整個宇宙中我們能看到的普通物質(zhì)只占不到5%，剩下絕大部分都看不見。不是僅用肉眼在可見光波段看不見它們，而是不論探測什么波段的電磁波，比如無線電、紅外線、紫外線、X射線等，都看不到它們。

我們之所以能夠見到這個世界，遙望空中的日月星辰，看到身邊的桌椅板凳，是因為這些東西或者說這些物質(zhì)，要么能夠與光互動，被光照亮，要么能夠自己發(fā)出光亮。

分子和原子是普通物質(zhì)構(gòu)成的基石，這些基石能夠組裝在一起，本質(zhì)上是它們之間的電磁力在發(fā)揮作用。也正是通過這樣的電磁作用，我們才能夠觸摸到這個大千世界。

暗物質(zhì)指的是看不見的物質(zhì)，不是因為沒有光照亮它們，而是因為光照不亮它們。暗物質(zhì)不發(fā)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(chǎn)生的效應(yīng)感受它們的存在。

這種神秘的物質(zhì)穿透力出奇的強(qiáng)。一個暗物質(zhì)粒子，可以在地球的這一端很輕松地跑到地球的另一端，也可以很輕松地穿過太陽，因此不可能用個瓶子裝起來。

暗物質(zhì)被稱為“世紀(jì)之謎”，國際粒子物理學(xué)界將每年的10月31日定為“國際暗物質(zhì)日”，以有效地推動開展暗物質(zhì)的探索。暗物質(zhì)是什么，以何種形式存在，和人類又會產(chǎn)生怎樣的聯(lián)系等謎底的揭開，或許會與牛頓力學(xué)、愛因斯坦相對論一樣，開啟人類新的物理時代。

根據(jù)現(xiàn)在的各種物理學(xué)理論，在宇宙137億年的演化過程中，暗物質(zhì)起了決定性的作用。如果沒有它們的存在，整個銀河系和太陽系就不是目前的樣子。相對論和量子力學(xué)剛出現(xiàn)時，認(rèn)為它們有用的人寥寥無幾，但一百年后的今天，手機(jī)里所有的芯片，電腦、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明都源于這些理論。也許在一百年后，我們的生活從早到晚全是暗物質(zhì)。正因為如此，科學(xué)家才全力追尋暗物質(zhì)。

中國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”

“悟空”衛(wèi)星首次發(fā)布的高能電子宇宙線能譜（紅色），綠色和藍(lán)色分別是阿爾法磁譜儀和費米空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)

“悟空”發(fā)現(xiàn)驚世界

暗物質(zhì)既不發(fā)光，也不參與電磁作用，行動速度比56式半自動步槍子彈還快300倍，目前只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)感受到它的存在。迄今為止一直沒人知道暗物質(zhì)是什么模樣的，還沒有確鑿的證據(jù)說“這就是暗物質(zhì)”。為了追捕這種神秘的物質(zhì)，科學(xué)家使出了各種招數(shù)，通過排除法，一點點尋找它們的蹤跡。

一是模擬宇宙大爆炸，利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)，把粒子加速再讓它們相撞，看能否在實驗室中通過普通粒子來產(chǎn)生暗物質(zhì)。

二是“入地”，直接探測暗物質(zhì)。目前世界上巖石覆蓋最深的實驗室是中國四川雅礱江邊的錦屏地下實驗室，位于錦屏山腹部的隧道中部，垂直巖石覆蓋達(dá)2 400米。

三是“上天”，進(jìn)行間接探測。根據(jù)目前理論物理學(xué)家的解釋，如果暗物質(zhì)粒子相互碰撞并湮滅，將可能轉(zhuǎn)換為高能電子。到空間去精確地探測高能電子能譜，就可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蛛絲馬跡，間接證明它們的存在。

2015年12月17日，中國成功發(fā)射了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”。它的核心使命是追捕暗物質(zhì)，在宇宙線和伽馬射線輻射中尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)，觀測多種高能粒子，并進(jìn)行天體物理研究。

“悟空”衛(wèi)星在軌運行狀態(tài)良好，工作表現(xiàn)近乎完美?！拔蚩铡钡幕鹧劢鹁ζ鋵嵕褪且慌_宇宙射線望遠(yuǎn)鏡，自上天以來便持續(xù)不斷地記錄著來自宇宙的高能粒子。在運行的頭530天里一共記錄到28億個高能粒子，從中分辨出150萬個高能電子，測量了它們的能量和來源方位。從這些數(shù)據(jù)中，科學(xué)家試圖找出暗物質(zhì)粒子湮滅的關(guān)鍵證據(jù)。

2017年11月27日，“悟空”衛(wèi)星獲得了世界上最精確的高能電子宇宙射線能譜。這個發(fā)現(xiàn)讓人們對發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)增添了信心—這有可能為暗物質(zhì)存在提供新的依據(jù)。

雖然現(xiàn)階段找不到暗物質(zhì)，但不表示失敗。

每一次發(fā)現(xiàn)新的信號，科學(xué)界都會為之震動，公眾則會反復(fù)追問：找到暗物質(zhì)了嗎?科學(xué)家卻只能回答：可能吧。在前沿科學(xué)研究領(lǐng)域，這樣的對話可能會延續(xù)很多很多年，直到多個方向的研究成果反復(fù)互證，科學(xué)家才會最終宣布，我們找到了暗物質(zhì)。