淺談科學對暗物質的研究

賈平

科學研究認為，我們今天的宇宙是137億年前，一個微小的高密度火球發生大爆炸后形成的。這個宇宙由物質、反物質和暗物質構成。科學家把那些發光和能反光的物體如太陽和月亮等等可觀察到的物體稱之為物質，其原子核帶正電，核外電子帶負電。把那些與之相反，即其原子核帶負電，核外電子帶正電的物質稱之為反物質。物質與反物質二者長得一模一樣， 只是秉性相反，有如“鏡像物”。把那些不發光也不能反光且用通常辦法觀測不到的物質稱之為暗物質。為了加深對暗物質的認識，現將科學家探知的有關情況概述如下。

關于暗物質

20世紀30年代初，美國加州理工學院天體物理學家茲威基提出，宇宙間可見物質遠遠不足把宇宙連成一片，如果不存在一種看不見的暗物質，星系早就分崩離析。到20世紀70年代，多種天文觀測都顯示了暗物質的存在。但直到現在還沒有找到確鑿的證據被觀測到。雖然科學家們還不知道暗物質由什么構成，但通過觀測它如何影響普通物質，并模擬光的引力效應，還是對暗物質有了一些了解。暗物質粒子是不帶電荷，只有一個磁極，沒有電磁場的相互作用。有人把它形像地比作一個“極小的只有一個磁極的磁棒”。這個小磁棒能穿越電磁波、引力場和其他阻礙物，像幽靈一樣。正因如此，科學家給它取了一個外號，叫幽靈粒子或稱“上帝粒子”。上帝粒子就是人們所說的希格斯粒子。1964年，美國物理學家彼得 "希格斯在一篇學術論文中提出，在宇宙中有一種粒子場存在，這種粒子就是能吸引其他粒子進而產生質量的玻色子。他認為，這種玻色子是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎，其他粒子在這種粒子形成的場中游弋并產生慣性，進而形成質量，構成大千世界。這種理論中的粒子后來被別人以“希格斯”的名稱命名，外號“上帝粒子”。

暗物質雖然我們看不到，但是我們可以通過它對可見物產生萬有引力感知到它的存在和行動。科學家通過研究分析，認為宇宙中的物質主要是暗物質和暗能量。其中暗物質約占25.9%，暗能量約占69.2%，可觀測到的物質很少，約占4.9%。

科學家對暗物質的探尋

為了尋找到暗物質，中外科學家進行了長期的不懈努力。他們的探尋方法主要有以下三種：

一是把探測器安放在空中進行尋找。主導這一工作的是美籍華裔諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授，他于1978年把一個裝有敏感探測器的巨大氣球，放到離地面35公里處探尋，得到了 28個正電子。1998年，他把一 個阿爾伐磁譜儀用“發現號”航天飛機送到太空尋找，獲得了大量重要數據。2011年他又把一個新的阿爾伐磁譜儀送到空間站安放在一個永久性艙位進行尋找。2013年4月3日，丁肇中教授宣稱，阿爾伐磁譜儀在太空發現了40萬個正電子。并說，在獲取這些正電子的過程中，隨著能量的增加而上升，但未出現峰值，其正電子來源沒有特定方向。據此，他認為這些正電子可能來自人類一直尋找的暗物質。阿爾伐磁譜儀項目會萃了全球54 個科研機構的百名研究人員，其中名列第七位的是中國科學院電工所， 阿爾伐磁譜儀核心部分永磁體系統、整體散熱系統及軌跡探測器熱控系統等都是中國制造的。丁肇中教授對記者說，中國科學家（包括大陸和臺灣）為這項工作做出了“決定性”的貢獻，其中尤以中國科學院電工所、航天科技集團運載火箭技術研究院和臺灣中山科學院貢獻最大，最為關鍵。

2015年12月17日我國把一個高水平的探測衛星“悟空”送到500公里的太空進行探測，它每天將傳回約16G數據量，地面有100余人的科學家團隊對數據進行分析研究。

二是用粒子加速器和強子對撞機對撞粒子探尋。長期以來，美國費米國家實驗室和歐洲核子研究中心一直在探尋暗物質。1977年，美國費米國家實驗室利用粒子加速器進行粒子對撞，發現底夸克，證明底夸克必定與W 玻色子和Z玻色子同時存在于某處。2014年歐洲核子研究中心宣稱，他們通過強子對撞實驗證實了“幽靈粒子”（上帝粒子）的存在。這臺強子對撞機安放在法國與瑞士邊境的一條27公里長的隧道里，2010年3月啟動后，每秒鐘進行上千萬次強子對撞，運轉一小時所需費用超過134萬元（人民幣）。制造這臺對撞機花費了 100億美元。

三是在地下通過對人造物體進行照射探尋，科學家認為，實驗室建在地下比較干凈，可避免或減少宇宙射線的干擾。為此，我國科學家于2009 年5月，在四川錦屏地下建立了一座實驗室，其深度超過加拿大的斯諾實驗室（地下2000米），達2400米，這樣能將宇畝射線通量降到地面水平的億分之一。錦屏地下實驗室于2010年12月12日投入使用，標志著我國自主開始大規模投入暗物質探尋。2014年12月，研究組成員方忠發表論文稱，他們在人造材料鉭、砷晶體中發現了幽靈粒子。2015年2月，方忠對外宣稱他們通過向鉭、砷晶體發射同步光源，首次檢測到幽靈粒子。參加這項工作的翁紅明說：我們的這一發現并未使用大型粒子對撞機，從這個角度來看，這個實驗相當令人激動，它給我們帶來了希望，不通過大型設備也能實現重大發現。

探測暗物質的意義

暗物質和暗能量被科學家稱為籠罩在物理學頭上的兩朵烏云，揭開暗物質之謎，將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大飛躍，將帶來物理學的又一次革命，將推動解釋宇宙為什么會是這樣以及將怎樣演化，因此具有十分重要的意義。科學家認為，幽靈粒子能完成當前科技不可企及的諸多任務，能解決工業生產中的許多問題。可預見的有三：一是能解決智能電子設備耗電多的問題。當前電子設備充電都是電子流通過電線電路進入設備，設備不僅笨重不易控制，而且還會導致電能流失。暗物質沒有電磁場的相互作用，具有絕好的超導性能，電器設備改用含有幽靈粒子的材料制作，不僅質地輕，便于控制，而且能節省電力，提高效能。

二是能解決量子計算機中光子量子態脆弱的問題。暗物質具有穿透障礙物的特性，把它應用到量子計算機領域。能使計算機中的光子長時間保持量子態。當前量子計算機面臨的最大挑戰是，被用來進行量子計算的光子等粒子量子態容易受電磁作用的干擾，導致失去或改變量子態，從而使得計算機停止工作，解決好這一問題將大大提高量子計算機的計算能力。

三是能解決手機需經常充電的問題。含有幽靈粒子的材料制造的智能手機不受外界干擾，不僅性能優越，而且耗電少，無需經常充電，可做到一年充一次電，這樣的智能手機必將更加受到用戶歡迎。

我國科學院高能物理研究所研究員陳國明認為，暗物質對人們生活的影響有多大，一時難以估量。上世紀初發展起來的物理學第一次革命，推翻了牛頓體系，建立了量子力學體系，還有愛因斯坦的相對論，當時對人們日常生活沒有帶來任何影響，但很快發展起來的半導體技術卻極大的改變了人們的生活。