發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)近在咫尺？

暗物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，搞清楚暗物質(zhì)的組成也是科學(xué)界十分重要的問(wèn)題，因?yàn)檫@是理解宇宙形狀、大小甚至命運(yùn)的關(guān)鍵。

4月3日，在日內(nèi)瓦的實(shí)驗(yàn)室里，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、華裔物理學(xué)家丁肇中向全世界第一次公布了阿爾法磁譜儀（AMS）項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果——AMS在太空實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中探測(cè)到40萬(wàn)個(gè)正電子，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。而發(fā)現(xiàn)正電子是證實(shí)暗物質(zhì)存在的重要前提之一。現(xiàn)在丁肇中和他團(tuán)隊(duì)的研究成果，是不是就意味著發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)已經(jīng)近在咫尺了呢？

18年的第一個(gè)研究成果

此前包括美國(guó)費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡等項(xiàng)目都曾觀察到過(guò)正電子現(xiàn)象，但數(shù)據(jù)誤差很大，而AMS的誤差只有1%，丁肇中和他的團(tuán)隊(duì)在這條道路上前進(jìn)了一大步。

丁肇中和他的團(tuán)隊(duì)猜測(cè)，這些正電子極有可能就來(lái)自這些年來(lái)人類一直絞盡腦汁進(jìn)行尋找的暗物質(zhì)。

研究認(rèn)為，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)大約占宇宙質(zhì)量的25%，暗能量占70%，而人類所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量5%。但是長(zhǎng)期以來(lái)，暗物質(zhì)和暗能量一直是個(gè)謎，盡管科學(xué)家們普遍認(rèn)可他們的存在，但是卻一直無(wú)法證實(shí)。

丁肇中是一個(gè)十分謹(jǐn)慎的人，他并不隨便發(fā)表自己的研究成果。從1994年開(kāi)始尋找暗物質(zhì)，他已經(jīng)整整做了18年的實(shí)驗(yàn)，這也是18年來(lái)他關(guān)于該項(xiàng)目的第一個(gè)研究成果。因此，該成果引起了全世界物理學(xué)界的高度關(guān)注。

“丁肇中能夠取得這樣的突破，關(guān)鍵是他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)十分精巧的大型太空粒子探測(cè)器，也就是AMS，這個(gè)設(shè)備重達(dá)7.5噸，是當(dāng)前在太空中運(yùn)行的最強(qiáng)有力、最精確和最靈敏的粒子譜儀，代表著當(dāng)今世界前沿的科技水平。研究認(rèn)為暗物質(zhì)碰撞會(huì)產(chǎn)生額外的正電子，而這些正電子的特征會(huì)被AMS-02精確地測(cè)量到。另外一個(gè)方面，這個(gè)項(xiàng)目共邀請(qǐng)了來(lái)自16個(gè)國(guó)家和地區(qū)、54個(gè)研究機(jī)構(gòu)的近600名研究人員參與其中。”中國(guó)科學(xué)院院士、理論物理學(xué)家何祚庥在接受記者采訪時(shí)表示，該項(xiàng)目整整耗資21億美元，它是美國(guó)主導(dǎo)下的上世紀(jì)末和本世紀(jì)初世界上規(guī)模最大的科學(xué)計(jì)劃之一。

但何祚庥認(rèn)為，國(guó)內(nèi)的部分參與機(jī)構(gòu)及媒體有些過(guò)分夸大我國(guó)研究人員在AMS項(xiàng)目中的作用，盡管中國(guó)不少研究人員參與了這個(gè)項(xiàng)目，但是絕大多數(shù)都是承擔(dān)一些基本性工作。另外，有的還只是承擔(dān)了AMS項(xiàng)目的部分設(shè)備任務(wù)，并不涉及到暗物質(zhì)的有關(guān)研究。即便如此，何祚庥認(rèn)為，對(duì)我國(guó)一些專門(mén)從事暗物質(zhì)研究的機(jī)構(gòu)和人員而言，積極參與這種大型國(guó)際合作項(xiàng)目都是一種很好的鍛煉。

可能10年都難以證實(shí)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)

盡管丁肇中團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)在暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)方面取得了前所未有的進(jìn)展和突破，但是何祚庥并不認(rèn)為丁肇中團(tuán)隊(duì)在短時(shí)間內(nèi)就能夠得出發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的確鑿結(jié)論。“可能在10年之內(nèi)，都不會(huì)有結(jié)果。”何祚庥說(shuō)。

事實(shí)上，丁肇中對(duì)自己團(tuán)隊(duì)是否發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的表述也十分謹(jǐn)慎。丁肇中表示，根據(jù)目前的觀測(cè)結(jié)果并沒(méi)有完全的證據(jù)證明40多萬(wàn)個(gè)正電子和暗物質(zhì)有關(guān)。他指出，要確認(rèn)正電子是由暗物質(zhì)粒子碰撞、湮滅產(chǎn)生的，還需觀測(cè)到正電子比例上升到峰值后是否有驟降。如果觀察到驟降，說(shuō)明來(lái)自暗物質(zhì)對(duì)撞；如緩慢下降，則可能來(lái)自脈沖星。

“現(xiàn)在的關(guān)鍵問(wèn)題是，丁肇中團(tuán)隊(duì)還沒(méi)有得出正電子比例上升到峰值后有驟降的可靠結(jié)論。”何祚庥解釋說(shuō)，按照丁肇中目前的表態(tài)有兩個(gè)可能：其一是他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些暗物質(zhì)的確切蹤跡，但是還需要接下來(lái)的進(jìn)一步證明；其二就是目前他本人對(duì)大量正電子的來(lái)源究竟是哪里也還不是十分確定。

丁肇中告訴媒體，作為AMS這樣一個(gè)大型物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，他必須保持冷靜，因此對(duì)正電子來(lái)源持開(kāi)放態(tài)度，他認(rèn)為對(duì)他和他的團(tuán)隊(duì)而言，未來(lái)最重要是把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地拿出來(lái)，不要有誤差。

根據(jù)丁肇中的計(jì)劃，在未來(lái)20年內(nèi)，在距離地球近400公里的國(guó)際空間站上，AMS將收集到3000億個(gè)數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)，將會(huì)為解開(kāi)暗物質(zhì)的神秘面紗提供新的重要證據(jù)。

暗物質(zhì)研究需要聯(lián)合攻關(guān)

何祚庥表示，暗物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，搞清楚暗物質(zhì)的組成也是科學(xué)界十分重要的問(wèn)題，因?yàn)檫@是理解宇宙形狀、大小甚至命運(yùn)的關(guān)鍵。

這些年，包括我國(guó)在內(nèi)世界上的很多國(guó)家都有專門(mén)力量在進(jìn)行暗物質(zhì)的研究，但是很多人存在的一個(gè)疑問(wèn)就是：這樣的基礎(chǔ)性科學(xué)項(xiàng)目，投入大，風(fēng)險(xiǎn)性極高，又沒(méi)有什么經(jīng)濟(jì)效益，全球科學(xué)家一起合作，進(jìn)行幾個(gè)項(xiàng)目不就完了？只要能夠證實(shí)暗物質(zhì)就行，無(wú)論是誰(shuí)研究出來(lái)都無(wú)所謂。

“從理論上可以這樣，但是在實(shí)際工作中并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)檠芯堪滴镔|(zhì)有不同的方法，科研人員的觀點(diǎn)常常也很難保持一致，這就決定了在現(xiàn)實(shí)中，就某些基礎(chǔ)性的科學(xué)研究不可能在全球形成僅有的一個(gè)或者兩三個(gè)團(tuán)隊(duì)研究。”中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)、中科院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員范一中在接受記者采訪時(shí)表示。

不過(guò)范一中也強(qiáng)調(diào)，目前在國(guó)內(nèi)，研究暗物質(zhì)的頂尖人物也就五六個(gè)人，整體力量十分薄弱，如果不進(jìn)行協(xié)作聯(lián)合，而是單打獨(dú)斗地進(jìn)行暗物質(zhì)研究，要想做出一些突破性的成果并不現(xiàn)實(shí)。

“實(shí)際上，我們現(xiàn)在的研究項(xiàng)目，就是大家聯(lián)合在做。”范一中說(shuō)。而他所說(shuō)的就是中科院紫金山天文臺(tái)的科研團(tuán)隊(duì)及國(guó)內(nèi)其他幾家機(jī)構(gòu)正在加緊研制的“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”，2011年12月23日，該項(xiàng)目已經(jīng)通過(guò)立項(xiàng)，目前進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)2015年6月前發(fā)射到外太空。

我國(guó)的“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”也將是我國(guó)第一個(gè)天文衛(wèi)星，重1.8噸，它未來(lái)將主要收集來(lái)自太空的各種射線，從而收集暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

近些年上海交大以及清華大學(xué)研究人員也在國(guó)內(nèi)的地下實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行著相關(guān)實(shí)驗(yàn)，希望能夠?qū)ふ业桨滴镔|(zhì)存在的證據(jù)。

不過(guò)何祚庥表示，目前國(guó)內(nèi)科學(xué)界，很多研究人員過(guò)于注重發(fā)表研究論文，并不追求本項(xiàng)目研究在世界科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際突破，這也嚴(yán)重制約了我國(guó)研究人員科研成果的出現(xiàn)。“我們應(yīng)該學(xué)習(xí)丁肇中那種18年磨一劍的精神。問(wèn)題是，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)是否能夠提供這樣的科研環(huán)境，也是一個(gè)不得不思考的問(wèn)題。”何祚庥說(shuō)。