暗物質：我們身邊的隱形“居民”

吳月輝

在2月18日舉行的美國科學促進會年會上，美國麻省理工學院物理學家丁肇中領導的研究團隊對外宣布，阿爾法磁譜儀發現了弱作用重粒子（WIMP）存在的證據，而WIMP就是一種暗物質的候選體；丁肇中稱，將于未來兩到三周發表涉及暗物質的研究論文，對這項研究的進展作詳細闡述。據報道，這次研究成果在丁肇中看來是朝著人類認識暗物質方向前進的重要一步，但不是最終答案。

不管此次阿爾法磁譜儀是否發現了暗物質，各國科學家們都希望有關暗物質起源的問題能夠變得更加明朗。

什么是暗物質？在回答這個問題以前，我們先回顧一段有趣的歷史。

自從牛頓發現了萬有引力定律以來，人們嘗試用萬有引力理論來解釋太陽系的行星運動規律。盡管萬有引力的解釋在開始時是非常成功的，但在解釋天王星運動時卻無法得到令人滿意的結果，天王星的運動規律和萬有引力的預言有明顯的差異。法國天文學家U.Le Verrier和英國天文學家J.C.Adams猜測天王星的異常也許不是萬有引力規律出了問題，而是在太陽系中還存在一顆當時還沒有發現的行星，這顆行星的引力使得天王星的運動偏離了原來預期的軌道。根據他們的預言，于1846年由J.G.Galle發現了這顆行星，即海王星。

“由行星運動異常從而猜測到另外一顆未發現的行星的存在，非常類似今天我們關于暗物質的認識?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T畢效軍說。

大約80年前，天文學家意外發現，一些星系團中的星系運動速度比預想中更快，光靠所看到的這些發光物質（當時人們還沒發現星系團中大量存在-x射線氣體，它們才是星系團中普通物質的主體）所產生的引力場根本無法束縛住它們。因此，大家便猜測這些星系團中應該有種看不見的神秘物質，也一起貢獻著引力，拉住了星系。

“雖然我們從來沒有直接‘看到宇宙中存在這種物質，但我們卻發現了由于這種物質的引力作用對于其他可見的物質運動的影響，這就是我們斷定宇宙中存在這種物質的理由?！碑呅к娬f。

這種物質的存在，在隨后幾十年中，又相繼被各種天文觀測間接證明。

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

“這種物質不發光，也就是不發出電磁波，所以看不見。于是，我們就稱它為暗物質?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T、博士生導師張新民說，“與通常物質一樣，暗物質有引力作用。這個引力效應讓天文學家在宇宙空間發現暗物質占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個世界的‘常規物質只占4%?！?/p>

雖然，人們早已經猜測到暗物質可能存在，但一直以來從未明確探測到暗物質粒子，因此，還不能確定暗物質的性質。

目前，尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關，開展這一重大交叉學科的研究。

2004年8月，美國國家科學與技術委員會公開發布的物理與天文學發展戰略中，列出了新世紀要解答的11個難題，排在第一位和第二位的分別是“什么是暗物質”、“暗能量的本質是什么”。

那么，探測和研究暗物質，其意義何在？

諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現代物理學的最大烏云，它將預示著物理學的又一次革命?！?/p>

其實，很多物理學家和天文學家都開始有這樣的預感：今天物理學的情況與19世紀末20世紀初誕生相對論和量子論時非常類似。

“歷史經過百年輪回，人類對物質世界的認識又一次處在了十字關口，暗物質便是一個關鍵的突破口。因此，可以這么說，揭開暗物質之謎將是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論以及量子力學之后，人們認識自然規律的又一次重大飛躍。”國家天文臺研究員秦波說。

對此，張新民又做了進一步的解釋。

“對于宇宙中4%的物質，即所謂的通常物質，我們已經建立了一套非常完備的理論，即所謂標準模型，但是標準模型并不能描述宇宙中暗物質的現象。這就表明，我們對于物質的基本組元、基本結構還有待進一步的深入研究。而暗物質是目前最明確的突破了標準模型的觀測現象，了解暗物質的性質就可能帶我們走進基本粒子更加深入細微的結構中，了解更加深刻、基本的物質構成的規律。在另一方面，了解暗物質的性質對于我們理解宇宙中像星系、星系團這樣的大尺度的結果是如何在宇宙演化過程中形成也同樣具有重要的意義?！?/p>

暗物質之所以“暗”，不僅是指它不發光，更重要的是它太難捉摸。

“每天可能有幾萬億個暗物質以高速穿過你的身體，且未留下任何痕跡，讓你完全感受不到。”張新民做了個比較，56式半自動步槍子彈出膛的速度是每秒700米，而這些暗物質粒子卻是以每秒220千米的高速在運動，是前者的300倍。

如何“捕捉”住暗物質？

首先，科學家們曾對這種物質可能的形態做過很多理論上的猜測，例如，惰性中微子（Sterile neutrino）溫暗物質、引力微子（Gravitino）溫暗物質、軸子（hxion）冷暗物質等。

張新民說：“就目前而言，被研究得最多也是最被粒子物理學家看好的暗物質模型是所謂弱作用重粒子。主要因為這種粒子與普通物質有弱相互作用，所以具有可探測性。相比之下，對于許多其他的暗物質模型，由于其與普通物質的相互作用更弱，在目前的實驗水平下使得探測它們的可能性更小。”

接著，科學家們又想了很多種實際探測的實驗辦法。

最初的辦法是天文觀測法，但是卻無法解答“暗物質是什么”。后來，人們又采取間接探測和直接探測的辦法。前者，是探測暗物質相互碰撞產生的普通物質粒子信號，一般通過地面或太空望遠鏡探測；后者，則是用原子核與暗物質碰撞產生的信號。而在地面上，因為宇宙射線眾多，這些信號會對直接探測產生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實驗室可以幫助探測器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。

“丁肇中團隊所使用的阿爾法磁譜儀2號（AMS—02）當然是目前靈敏度最高，也是最復雜、最昂貴的一臺暗物質探測設備，代表了當今科學實驗的最高技術手段。在此之前，在不同的實驗上都看到了一些‘反常跡象，人們懷疑這些就是暗物質的信號，但是由于實驗的靈敏度還不夠，這些跡象都還無法確認為暗物質的信號。”畢效軍說。

除了阿爾法磁譜儀，其他實驗，例如位于瑞士的大型強子對撞機進行的實驗，以及深埋在中國四川錦屏地下的暗物質探測器實驗等也還都在進行當中，他們都可能在不遠的未來有所新發現。

“世界范圍內的暗物質探測實驗正在蓬勃發展，未來10年、20年將是暗物質探測的黃金時代，肯定也會有所突破?！鼻夭ㄕf。

（摘自2013年2月26日《人民日報》）

責編：周正旺