要看到“看不到”的東西

要看到“看不到”的東西

我暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星年底發(fā)射

本報記者  張 曄

“黑夜給了我黑色眼睛 我卻用它去尋找光明。”

詩人筆下的理想世界，是從黑暗走向光明；科學(xué)家眼光卻從光明投向黑暗，即使是這種“暗物質(zhì)”從未也根本無法被我們所“看”到。

9月29日，暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺常進研究員向記者透露：我國科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，將于今年12月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射升空，這是迄今為止觀測能段范圍最寬，能量分辨率最優(yōu)的空間探測器，超過國際上所有同類探測器。

這顆衛(wèi)星的最重要使命是尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)。那么，什么是暗物質(zhì)？找到它難在哪里？探索它又有何意義？

籠罩在21世紀物理學(xué)上空的“烏云”

“每時每刻，都有無數(shù)的暗物質(zhì)粒子穿過我們?nèi)梭w，但是它太弱了，人完全沒有感覺。”暗物質(zhì)衛(wèi)星總設(shè)計師伍健說。

雖然，人的身體忽略了暗物質(zhì)粒子的存在，但是科學(xué)家不能。

因為根據(jù)引力效應(yīng)，天文學(xué)家估算出，宇宙由27%的暗物質(zhì)、68%的暗能量和5%的普通物質(zhì)組成。在宇宙中占比最多的東西反而是人類最難了解的，這讓物理學(xué)的天空懸著一朵“烏云”。這些看不見的“大多數(shù)”就像披上了隱身衣一樣神秘。

為了撥開這朵“烏云”，科學(xué)家從20世紀30年代至今，從未停止對暗物質(zhì)的探索。

一般情況下，憑借肉眼或借助工具就能看到普通物質(zhì)，即使它們藏身于最黑暗的角落，只要有光照總能被發(fā)現(xiàn)，但暗物質(zhì)是個例外。

它不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學(xué)或電磁觀測設(shè)備“看”到。人類只能根據(jù)萬有引力作用推斷出它的存在。

暗物質(zhì)難以探測，還在于它密度小、速度快，難以捕捉�？茖W(xué)家測算，暗物質(zhì)粒子每秒的運動速度為220千米，是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。

李政道先生曾認為，對暗物質(zhì)的研究將預(yù)示著物理學(xué)的又一次革命。

科學(xué)家們相信，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)就可能了解更加深刻、基本的物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律。同時，對于人們理解宇宙中星系、星系團等如何在宇宙演化過程中形成，也具有重要的意義。

找到了暗物質(zhì)價值多少

“我的確想不出發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)會有什么應(yīng)用價值，”暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師范一中撓了撓頭說，“不過，我倒是曾經(jīng)鼓勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)，將來研究成功了可以開個暗物質(zhì)專賣店。”

他的這番話讓人哄堂大笑，也讓首席科學(xué)家常進聯(lián)想到上世紀的另一個重大物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。

“當(dāng)年，愛因斯坦也想不到量子力學(xué)和相對論有什么應(yīng)用價值，但是今天我們每個人用到的手機等通訊設(shè)備，哪一個離得開這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)？”

楊振寧先生曾對暗物質(zhì)作如此表述，所謂暗物質(zhì)、暗能量就是非常稀奇的事物，這里面可能引出基本物理學(xué)中革命性的發(fā)展，假如一個年輕人，他覺得他一生的目的就是要做革命性的發(fā)展，他應(yīng)該去學(xué)天文物理學(xué)。

現(xiàn)在，暗物質(zhì)被證實存在，已經(jīng)給人們的觀念帶來極大的沖擊和突破。之前，人們無法想象這種看不見摸不著的物質(zhì)在宇宙中竟占有如此大的比重。因此，對暗物質(zhì)的研究和探尋已經(jīng)成為一個非常熱門的話題，甚至就連熱門美劇《生活大爆炸》里的男主角“謝大耳朵”也“轉(zhuǎn)行”研究了暗物質(zhì)。

科學(xué)家相信，通過探索“不可見宇宙”如何影響銀河系和宇宙的過去、現(xiàn)在和未來，人類最終一定能夠了解宇宙的起源。很多物理學(xué)家和天文學(xué)家已經(jīng)開始有預(yù)感：今天物理學(xué)面臨的狀況與19世紀末、20世紀初誕生相對論和量子力學(xué)時非常類似。

“可以說，揭開暗物質(zhì)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(xué)之后，人們認識自然規(guī)律的又一次重大飛躍。”國家天文臺研究員秦波說。

中國衛(wèi)星尋找暗物質(zhì)勝算幾何

既然看不見、摸不著、也感受不到，那么尋找暗物質(zhì)將從哪里入手呢？

范一中說，目前，暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)都是通過引力相互作用發(fā)現(xiàn)的。

國際上對暗物質(zhì)探測方式主要分為三類：一是加速器探測，主要有歐洲核子中心的大型強子對撞機；二是在地下進行的直接探測，我國在四川錦屏山地下實驗室中正在開展相關(guān)實驗；三是間接探測，主要在空間進行。

我國暗物質(zhì)衛(wèi)星就是采用第三種方式。物理學(xué)家們認為，暗物質(zhì)粒子的湮滅或衰變會形成各種正粒子、反粒子對，這些粒子對在太空中傳播就成了宇宙射線和伽馬射線的一部分。暗物質(zhì)衛(wèi)星就是收集高能宇宙線粒子和伽馬射線光子，通過其能譜、空間分布分析來尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。

中國對暗物質(zhì)的研究起步較晚，但是進展最快。該項目的首席科學(xué)家常進于1998年發(fā)現(xiàn)了研究暗物質(zhì)的新方法，并在美國一項研究中成功；此外，他還幫助日本設(shè)計了暗物質(zhì)探測器。此次，由他主導(dǎo)的中國首顆暗物質(zhì)探測衛(wèi)星研究，在觀測能段范圍、能量分辨率等方面一舉超過他國，而費用只有1億美元，分別是美國Fermi、AMS—02的1/7和1/20。

范一中說，三個探測器各有特色，AMS—02可以區(qū)分正反物質(zhì)，F(xiàn)ermi的探測器面積大，而我們的探測器最厚，可以以很高的能量分辨率測量高達～10TeV的粒子（注：1 TeV=1萬億電子伏特）。

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星2011年底立項，經(jīng)過4年的攻關(guān)，并在歐洲核子中心測試獲得成功，目前進展良好，有望在今年底發(fā)射。

進入太空后，它的軌道為太陽同步軌道，高度約500公里，每天傳回的數(shù)據(jù)量約12G字節(jié)。地面團隊將有100余人對此展開分析研究，首批科學(xué)成果將有可能在6個月—1年后發(fā)布。

“希望我們也能像NASA（美國國家航空航天局）一樣搞出個大新聞來。”范一中說。