尋找宇宙“幽靈”

愛因斯坦的廣義相對論誕生100年來，在揭開宇宙奧秘的同時，也引發了一些至今仍未解開的謎團，其中，暗物質和暗能量這兩個宇宙“幽靈”，被視為21世紀物理學研究的最重要問題之一。

普通物質只占宇宙總質能的4.9%

暗物質和暗能量是如何“現形”的？上海交通大學鴻文講席教授、粒子與核物理研究所所長季向東介紹，天文學家發現，他們觀測到的一些宇宙大尺度現象，與廣義相對論、牛頓力學的理論預測并不相符。

例如，銀河系的恒星都在繞著銀河系中心高速運動，根據廣義相對論，恒星離星系中心越遠，其運動速度應該越慢。但科學家在研究一個螺旋星系的旋轉速度時，發現星系外側恒星的旋轉速度，比預測速度快得多。

這意味著兩種可能：一是廣義相對論在宇宙大尺度上失效，無法正確描述星系范圍的引力；二是該理論仍然成立，只是在銀河系等螺旋星系中，存在人類還無法觀測到的物質。其質量非常大，使星系外側的恒星高速運轉，并用足夠大的引力“拉”住這些高速運轉的星球，使其不至于因離心力過大而脫離星系。

許多物理學家選擇了后一種解釋，提出宇宙中存在“暗物質”。它們與人類已知的物質一樣具有質量，卻不與其發生電磁作用和強相互作用，因此人類幾乎無法觀測到。它們的密度很小，但數量龐大，因此總質量大得驚人。

如今，據物理學家推測，銀河系中暗物質的質量比普通物質多20倍以上；在整個宇宙，普通物質只占4.9%左右，暗物質則占26.8%左右，另外68.3%左右的質能來自暗能量。

關于暗能量，美國天文學家哈勃發現，宇宙中的其他星系都在向著距離銀河系越來越遠的方向移動，而且它們移動得越遠，運行速度就越快。這揭示了一個真相：宇宙正在加速膨脹。根據廣義相對論和人類已觀測到的物質，無法解釋究竟是什么力量在把宇宙“越吹越大”。如果廣義相對論是正確的引力理論，那么宇宙中很可能存在著一種充溢空間、增加宇宙膨脹速度的能量形式。它難以覺察，卻真實存在。

地底最深處的“熊貓計劃”

暗物質和暗能量的存在，都有一個前提條件：廣義相對論是適用于宇宙大尺度的引力理論。如今，大多數物理學家認為相對論是正確的，因而踏上了尋找暗物質和暗能量之路。

在暗物質探測方面，我國科學家走在了世界前列。作為“熊貓計劃”（PandaX）負責人，季向東帶領團隊在四川錦屏山地下實驗室尋找暗物質的蹤跡。

理論推測，銀河系中心區域集聚著大量暗物質，它們應該會彌漫到地球，估計每秒大約有上億個暗物質原子穿透我們的身體。當暗物質原子與物質原子碰撞后，會產生極其微弱的光電信號，但要捕獲它們極其困難。在地面上，各種宇宙射線對這種光電信號造成了極大的背景輻射干擾。為屏蔽干擾，實驗必須深入地下。

PandaX實驗正是在世界上最深的四川錦屏山地下實驗室進行。這一實驗場所由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司于2010年聯合開發，在隧道工程建設中利用了一個約2400米深的人工井。山洞上方被深厚巖石層所覆蓋，以阻擋外界信號。

PandaX是“粒子和天體物理氙探測器”的英文簡寫，以惰性元素氙（Xe）作為探測媒介。實驗由上海交大牽頭組織，合作組包括中美6家研究機構和大學在內，首期使用了約120公斤的液態氙作為“靶子”，探測光臨地球的暗物質粒子。

2015年8月，實驗組公布了立項4年來的首批物理數據——探測器記錄了約400萬個粒子撞擊事例，在暗物質可能產生的“能量區”大約有1萬個事例；而在探測器中心的37公斤液氙中，只有46個事例。通過與放射源的定標比較，這46個事例全部來自放射性本底，并沒有暗物質留下的痕跡。

季向東表示，首期實驗主要探測的是輕質量的暗物質（粒子質量是質子的幾倍），而物理學界認為，重質量的暗物質（粒子質量是質子的100倍左右）更多。為此，將目標鎖定為重質量暗物質的二期實驗即將啟動，其探測規模和靈敏度是首期實驗的4倍?！皩嶒灧治鼋Y果計劃明年發表，能否探測到暗物質？讓我們拭目以待?！?/p>

除了地下探測，科學家還在太空和大型強子對撞機里尋找暗物質的蛛絲馬跡。諾貝爾物理學獎得主丁肇中主持的暗物質研究小組，利用的是國際空間站上阿爾法磁譜儀的觀測數據。理論推測，銀河系中心的暗物質粒子彼此撞擊后，會湮滅為普通物質和相應的反物質粒子。如果阿爾法磁譜儀探測到超出預期的普通物質和反物質粒子，就可能意味著銀河系中心有暗物質。“我認為，在這三種實驗方法中，地下探測最靠譜，因為它能直接探測到暗物質?！奔鞠驏|說。

探測宇宙“漣漪”

廣義相對論預言的引力波，也是百年未解之謎。中科院高能物理所研究員、北師大天文系教授王運永介紹，根據愛因斯坦的引力場方程，可推導出“引力波”這種時空波動。如果把時空比作水面，宇宙中發生天體碰撞這樣的大事后，就像石頭落入水中，在宇宙中會形成一圈圈引力波“漣漪”。

然而時至今日，人類還沒有直接探測到引力波，因為引力波的強度非常弱，即便兩個質量很大的黑洞對撞產生的引力波傳到地球后，造成地球上各處相對距離的變動數量級也在10的負21次方以下。

2014年，美國科研團隊在分析了南極BICEP2望遠鏡的觀測數據后，宣布發現了“原初引力波穿越嬰兒宇宙留下的印記”——比預期中強烈得多的一個B模式極化信號。經過3年多檢驗，他們排除了其他可能來源。認定該模式只能由宇宙演化初期暴漲產生的引力波造成。這一重大發現一經宣布，立即引發全球科學界轟動。

然而，隨之而來的不是掌聲，而是科學家的質疑。2015年1月，這個美國科學家團隊和歐洲空間局專家正式確認，此前的發現是錯誤的。新的聯合分析數據顯示，曾經發現的那個信號是由銀河系的塵埃干擾造成，而非來源于宇宙暴漲。

不過，季向東仍然很有信心，在他看來，探測到引力波已“指日可待”。因為全球最大的引力波觀測設備——美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）近日重新開始數據采集，有望在未來幾個月內探測到引力波。 LIGO的觀測站通過長達4公里的束管發射激光，這將使它能探測到與引力波傳播密切相關的空間微小扭曲現象。

1916年，愛因斯坦發表了第一篇預示引力波的論文。2016年，這種宇宙“漣漪”很可能被探測到。如果能形成相隔100年的呼應，豈不令人感嘆？

在季向東看來，廣義相對論是一種了不起的理論，得到了許多實驗的檢驗，但愛因斯坦對引力的研究結果絕不是終極，而只是開始。廣義相對論對引力的描述在大尺度上是否成立？在極小距離內是否成立？廣義相對論和量子力學如何統一？時空是否有高于四維的維度？這些問題都有待探索?！?1世紀物理學呼喚著下一個牛頓和愛因斯坦，以構建新的引力理論。”他說。（來源：《解放日報》責任編輯/余風）