淺談科學(xué)對(duì)暗物質(zhì)的研究

賈平

科學(xué)研究認(rèn)為，我們今天的宇宙是137億年前，一個(gè)微小的高密度火球發(fā)生大爆炸后形成的。這個(gè)宇宙由物質(zhì)、反物質(zhì)和暗物質(zhì)構(gòu)成。科學(xué)家把那些發(fā)光和能反光的物體如太陽(yáng)和月亮等等可觀察到的物體稱之為物質(zhì)，其原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電。把那些與之相反，即其原子核帶負(fù)電，核外電子帶正電的物質(zhì)稱之為反物質(zhì)。物質(zhì)與反物質(zhì)二者長(zhǎng)得一模一樣， 只是秉性相反，有如“鏡像物”。把那些不發(fā)光也不能反光且用通常辦法觀測(cè)不到的物質(zhì)稱之為暗物質(zhì)。為了加深對(duì)暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)將科學(xué)家探知的有關(guān)情況概述如下。

關(guān)于暗物質(zhì)

20世紀(jì)30年代初，美國(guó)加州理工學(xué)院天體物理學(xué)家茲威基提出，宇宙間可見物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足把宇宙連成一片，如果不存在一種看不見的暗物質(zhì)，星系早就分崩離析。到20世紀(jì)70年代，多種天文觀測(cè)都顯示了暗物質(zhì)的存在。但直到現(xiàn)在還沒(méi)有找到確鑿的證據(jù)被觀測(cè)到。雖然科學(xué)家們還不知道暗物質(zhì)由什么構(gòu)成，但通過(guò)觀測(cè)它如何影響普通物質(zhì)，并模擬光的引力效應(yīng)，還是對(duì)暗物質(zhì)有了一些了解。暗物質(zhì)粒子是不帶電荷，只有一個(gè)磁極，沒(méi)有電磁場(chǎng)的相互作用。有人把它形像地比作一個(gè)“極小的只有一個(gè)磁極的磁棒”。這個(gè)小磁棒能穿越電磁波、引力場(chǎng)和其他阻礙物，像幽靈一樣。正因如此，科學(xué)家給它取了一個(gè)外號(hào)，叫幽靈粒子或稱“上帝粒子”。上帝粒子就是人們所說(shuō)的希格斯粒子。1964年，美國(guó)物理學(xué)家彼得 "希格斯在一篇學(xué)術(shù)論文中提出，在宇宙中有一種粒子場(chǎng)存在，這種粒子就是能吸引其他粒子進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子。他認(rèn)為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)，其他粒子在這種粒子形成的場(chǎng)中游弋并產(chǎn)生慣性，進(jìn)而形成質(zhì)量，構(gòu)成大千世界。這種理論中的粒子后來(lái)被別人以“希格斯”的名稱命名，外號(hào)“上帝粒子”。

暗物質(zhì)雖然我們看不到，但是我們可以通過(guò)它對(duì)可見物產(chǎn)生萬(wàn)有引力感知到它的存在和行動(dòng)?？茖W(xué)家通過(guò)研究分析，認(rèn)為宇宙中的物質(zhì)主要是暗物質(zhì)和暗能量。其中暗物質(zhì)約占25.9%，暗能量約占69.2%，可觀測(cè)到的物質(zhì)很少，約占4.9%。

科學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)的探尋

為了尋找到暗物質(zhì)，中外科學(xué)家進(jìn)行了長(zhǎng)期的不懈努力。他們的探尋方法主要有以下三種：

一是把探測(cè)器安放在空中進(jìn)行尋找。主導(dǎo)這一工作的是美籍華裔諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中教授，他于1978年把一個(gè)裝有敏感探測(cè)器的巨大氣球，放到離地面35公里處探尋，得到了 28個(gè)正電子。1998年，他把一 個(gè)阿爾伐磁譜儀用“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)送到太空尋找，獲得了大量重要數(shù)據(jù)。2011年他又把一個(gè)新的阿爾伐磁譜儀送到空間站安放在一個(gè)永久性艙位進(jìn)行尋找。2013年4月3日，丁肇中教授宣稱，阿爾伐磁譜儀在太空發(fā)現(xiàn)了40萬(wàn)個(gè)正電子。并說(shuō)，在獲取這些正電子的過(guò)程中，隨著能量的增加而上升，但未出現(xiàn)峰值，其正電子來(lái)源沒(méi)有特定方向。據(jù)此，他認(rèn)為這些正電子可能來(lái)自人類一直尋找的暗物質(zhì)。阿爾伐磁譜儀項(xiàng)目會(huì)萃了全球54 個(gè)科研機(jī)構(gòu)的百名研究人員，其中名列第七位的是中國(guó)科學(xué)院電工所， 阿爾伐磁譜儀核心部分永磁體系統(tǒng)、整體散熱系統(tǒng)及軌跡探測(cè)器熱控系統(tǒng)等都是中國(guó)制造的。丁肇中教授對(duì)記者說(shuō)，中國(guó)科學(xué)家（包括大陸和臺(tái)灣）為這項(xiàng)工作做出了“決定性”的貢獻(xiàn)，其中尤以中國(guó)科學(xué)院電工所、航天科技集團(tuán)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院和臺(tái)灣中山科學(xué)院貢獻(xiàn)最大，最為關(guān)鍵。

2015年12月17日我國(guó)把一個(gè)高水平的探測(cè)衛(wèi)星“悟空”送到500公里的太空進(jìn)行探測(cè)，它每天將傳回約16G數(shù)據(jù)量，地面有100余人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

二是用粒子加速器和強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞粒子探尋。長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和歐洲核子研究中心一直在探尋暗物質(zhì)。1977年，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用粒子加速器進(jìn)行粒子對(duì)撞，發(fā)現(xiàn)底夸克，證明底夸克必定與W 玻色子和Z玻色子同時(shí)存在于某處。2014年歐洲核子研究中心宣稱，他們通過(guò)強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“幽靈粒子”（上帝粒子）的存在。這臺(tái)強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)安放在法國(guó)與瑞士邊境的一條27公里長(zhǎng)的隧道里，2010年3月啟動(dòng)后，每秒鐘進(jìn)行上千萬(wàn)次強(qiáng)子對(duì)撞，運(yùn)轉(zhuǎn)一小時(shí)所需費(fèi)用超過(guò)134萬(wàn)元（人民幣）。制造這臺(tái)對(duì)撞機(jī)花費(fèi)了 100億美元。

三是在地下通過(guò)對(duì)人造物體進(jìn)行照射探尋，科學(xué)家認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室建在地下比較干凈，可避免或減少宇宙射線的干擾。為此，我國(guó)科學(xué)家于2009 年5月，在四川錦屏地下建立了一座實(shí)驗(yàn)室，其深度超過(guò)加拿大的斯諾實(shí)驗(yàn)室（地下2000米），達(dá)2400米，這樣能將宇畝射線通量降到地面水平的億分之一。錦屏地下實(shí)驗(yàn)室于2010年12月12日投入使用，標(biāo)志著我國(guó)自主開始大規(guī)模投入暗物質(zhì)探尋。2014年12月，研究組成員方忠發(fā)表論文稱，他們?cè)谌嗽觳牧香g、砷晶體中發(fā)現(xiàn)了幽靈粒子。2015年2月，方忠對(duì)外宣稱他們通過(guò)向鉭、砷晶體發(fā)射同步光源，首次檢測(cè)到幽靈粒子。參加這項(xiàng)工作的翁紅明說(shuō)：我們的這一發(fā)現(xiàn)并未使用大型粒子對(duì)撞機(jī)，從這個(gè)角度來(lái)看，這個(gè)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)令人激動(dòng)，它給我們帶來(lái)了希望，不通過(guò)大型設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)重大發(fā)現(xiàn)。

探測(cè)暗物質(zhì)的意義

暗物質(zhì)和暗能量被科學(xué)家稱為籠罩在物理學(xué)頭上的兩朵烏云，揭開暗物質(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，將推動(dòng)解釋宇宙為什么會(huì)是這樣以及將怎樣演化，因此具有十分重要的意義?？茖W(xué)家認(rèn)為，幽靈粒子能完成當(dāng)前科技不可企及的諸多任務(wù)，能解決工業(yè)生產(chǎn)中的許多問(wèn)題?？深A(yù)見的有三：一是能解決智能電子設(shè)備耗電多的問(wèn)題。當(dāng)前電子設(shè)備充電都是電子流通過(guò)電線電路進(jìn)入設(shè)備，設(shè)備不僅笨重不易控制，而且還會(huì)導(dǎo)致電能流失。暗物質(zhì)沒(méi)有電磁場(chǎng)的相互作用，具有絕好的超導(dǎo)性能，電器設(shè)備改用含有幽靈粒子的材料制作，不僅質(zhì)地輕，便于控制，而且能節(jié)省電力，提高效能。

二是能解決量子計(jì)算機(jī)中光子量子態(tài)脆弱的問(wèn)題。暗物質(zhì)具有穿透障礙物的特性，把它應(yīng)用到量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。能使計(jì)算機(jī)中的光子長(zhǎng)時(shí)間保持量子態(tài)。當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn)是，被用來(lái)進(jìn)行量子計(jì)算的光子等粒子量子態(tài)容易受電磁作用的干擾，導(dǎo)致失去或改變量子態(tài)，從而使得計(jì)算機(jī)停止工作，解決好這一問(wèn)題將大大提高量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

三是能解決手機(jī)需經(jīng)常充電的問(wèn)題。含有幽靈粒子的材料制造的智能手機(jī)不受外界干擾，不僅性能優(yōu)越，而且耗電少，無(wú)需經(jīng)常充電，可做到一年充一次電，這樣的智能手機(jī)必將更加受到用戶歡迎。

我國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員陳國(guó)明認(rèn)為，暗物質(zhì)對(duì)人們生活的影響有多大，一時(shí)難以估量。上世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的物理學(xué)第一次革命，推翻了牛頓體系，建立了量子力學(xué)體系，還有愛因斯坦的相對(duì)論，當(dāng)時(shí)對(duì)人們?nèi)粘Ｉ顩](méi)有帶來(lái)任何影響，但很快發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體技術(shù)卻極大的改變了人們的生活。