暗物質(zhì)是什么？連科學(xué)家們也不敢說(shuō)自己很了解。不過(guò)我們知道，暗物質(zhì)一旦被證實(shí)，將為物理界以及整個(gè)人類(lèi)的認(rèn)識(shí)掀開(kāi)嶄新的一頁(yè)。
經(jīng)過(guò)堅(jiān)持不懈的觀測(cè)工作，去年12月，美國(guó)科學(xué)家安裝在明尼蘇達(dá)州地下700米的暗物質(zhì)探測(cè)器有了反應(yīng)，該反應(yīng)被認(rèn)為極可能是“暗物質(zhì)”引起的。相關(guān)論文近日發(fā)表在美國(guó)權(quán)威期刊《科學(xué)快報(bào)》上。
雖然自從被提出以來(lái)就神龍見(jiàn)首不見(jiàn)尾，但暗物質(zhì)隱藏了許多現(xiàn)代物理學(xué)的秘密??宇宙的起源和組成、基本粒子的性質(zhì)、時(shí)間的流逝等，涉及相對(duì)論、量子力學(xué)等物理學(xué)中最高深的理論，其重要性可想而知。因此這則消息一經(jīng)發(fā)布，便引發(fā)了專(zhuān)業(yè)媒體甚至大眾媒體井噴式的報(bào)道，美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志、《科學(xué)美國(guó)人》雜志、英國(guó)《新科學(xué)家》雜志、英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》和《每日郵報(bào)》等，都在顯著位置進(jìn)行了報(bào)道。
宇宙中僅5%是可見(jiàn)物質(zhì)
在科幻作品中，經(jīng)�？梢钥吹桨滴镔|(zhì)這個(gè)詞。盡管如此，暗物質(zhì)卻絕非出自某位科學(xué)幻想大師之手，而是有著確鑿的根據(jù)。它是1934年瑞士天文學(xué)家弗里茲?茲威基在研究星系團(tuán)中星系的軌道速度時(shí)，為了解決“缺失的物質(zhì)”問(wèn)題而提出的概念。
當(dāng)時(shí)茲威基經(jīng)過(guò)計(jì)算認(rèn)為，星系的平均質(zhì)量實(shí)際上比根據(jù)其亮度計(jì)算出的質(zhì)量大160倍，這就意味著絕大多數(shù)物質(zhì)是不可見(jiàn)的。
起初，茲威基的結(jié)論沒(méi)引起重視，直到約40年后，人們?cè)谘芯啃窍抵泻阈堑倪\(yùn)動(dòng)時(shí)遇到類(lèi)似的困難，暗物質(zhì)的說(shuō)法才逐漸獲得認(rèn)可。目前，天文學(xué)領(lǐng)域很多證據(jù)都支持暗物質(zhì)存在的說(shuō)法，包括引力透鏡(光線在經(jīng)過(guò)星體邊緣時(shí)受引力場(chǎng)作用發(fā)生偏折的現(xiàn)象)研究和宇宙膨脹率。
說(shuō)到暗物質(zhì)，這里不得不提到它的“近親”??暗能量。兩者很容易混淆，一些非專(zhuān)業(yè)媒體在報(bào)道時(shí)，也很容易犯這樣的錯(cuò)誤。暗能量是人們?cè)诮⒂钪娴呐蛎浤Ｐ椭刑岢龅募傧�，指一種充溢空間的、具有負(fù)壓強(qiáng)的能量，它很好地解釋了已被哈勃望遠(yuǎn)鏡證實(shí)的宇宙加速膨脹的現(xiàn)狀。
與暗物質(zhì)相比，暗能量在分布范圍上廣得多，占據(jù)著宇宙結(jié)構(gòu)的絕大部分。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)公布的數(shù)據(jù)，暗能量約占宇宙結(jié)構(gòu)的70%，暗物質(zhì)約占25%，剩下的約5%是可見(jiàn)物質(zhì)。
所謂信號(hào)只是“狼來(lái)了”？
這次發(fā)現(xiàn)是美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)物理學(xué)與天文學(xué)院助理研究員安吉拉?萊瑟特與她所在的團(tuán)隊(duì)的收獲，他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源于一個(gè)深埋在地下的暗物質(zhì)探測(cè)器??CDMS探測(cè)器。該探測(cè)器被埋在明尼蘇達(dá)深達(dá)700米的地下，以周?chē)膸r石、塑料、鉛、銅等物質(zhì)來(lái)阻止暗物質(zhì)之外的正常微粒到達(dá)探測(cè)器，這樣可能與暗物質(zhì)相混淆的宇宙射線和其他粒子就被排除在外了。探測(cè)器本身不大，跟冰球相仿，主要由鍺元素和硅元素構(gòu)成。
探測(cè)器的構(gòu)造是基于這樣的原理：暗物質(zhì)主要由“弱相互作用粒子”(WIMP)組成，這種粒子能和鍺原子或硅原子發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生的特定信號(hào)能被探測(cè)器捕捉到。一旦觀測(cè)到信號(hào)，就可以確定有WIMP穿過(guò)探測(cè)器，即“暗物質(zhì)來(lái)了”。研究人員已確認(rèn)有兩個(gè)信號(hào)可能與暗物質(zhì)有關(guān)。對(duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，此次實(shí)驗(yàn)盡管不能完全確定暗物質(zhì)的存在，卻在提高探測(cè)精度方面取得了可喜的進(jìn)步。
需要指出的是，這并不是第一次有研究聲稱(chēng)可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)了。2007年，位于意大利首都羅馬附近的巨石峰國(guó)家實(shí)驗(yàn)室曾發(fā)布消息，稱(chēng)探測(cè)到了WIMP，一時(shí)間引起轟動(dòng)。但后來(lái)有多位學(xué)者對(duì)巨石峰國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用的DAMA探測(cè)器提出質(zhì)疑，最終這一發(fā)現(xiàn)沒(méi)有獲得科學(xué)界認(rèn)同。
從科學(xué)研究的嚴(yán)格性上講，萊瑟特等人的這次發(fā)現(xiàn)也可能是“狼來(lái)了”。美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志分析說(shuō)，即便是發(fā)現(xiàn)了信號(hào)，也絕不能馬上斷定暗物質(zhì)存在。這主要是由于WIMP不是一種被了解得很清楚的粒子，而是一類(lèi)粒子的總稱(chēng)，至今科學(xué)界對(duì)WIMP家族有多少種粒子、其物理性質(zhì)都不甚清楚。另外，用WIMP作為暗物質(zhì)存在的依據(jù)也不一定可靠，因?yàn)榘滴镔|(zhì)與硅或鍺原子間的相互作用涉及一系列粒子和力，而WIMP只是其中一種。
科學(xué)家全力追循暗物質(zhì)足跡
作為“光明”的反義詞，“黑暗”一向不會(huì)給人帶來(lái)愉快的聯(lián)想，但恐怕“黑暗雙塔”??暗物質(zhì)和暗能量要顛覆這一思維定勢(shì)了。萊瑟特等人的研究暗示，暗物質(zhì)可能就在地球上，這意味著我們每天都在和這種神秘的物質(zhì)打交道。而暗能量更是有過(guò)之而無(wú)不及，根據(jù)推算，暗能量彌漫在宇宙的每一個(gè)角落，看不見(jiàn)，摸不著，目前無(wú)法被探測(cè)到。
暗物質(zhì)和暗能量這兩種假想概念，支撐著人們?cè)?1世紀(jì)建立起來(lái)的眾多理論??粒子模型、宇宙膨脹、宇宙輻射等�！傲私獍滴镔|(zhì)和暗能量，是21世紀(jì)科學(xué)史的大挑戰(zhàn)。”2008年10月12日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道教授在人民大會(huì)堂舉行的“隆重紀(jì)念望遠(yuǎn)鏡發(fā)明400周年??科學(xué)大師演講會(huì)”上這樣說(shuō)。這兩種假想被證實(shí)或是被否定，都將對(duì)物理學(xué)的未來(lái)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
到目前為止，“黑暗雙塔”只統(tǒng)治著物質(zhì)尺度的兩極??動(dòng)輒數(shù)億光年的星系尺度以及小至百萬(wàn)分之一納米(1納米為十億分之一米)的亞原子尺度。但這只是暫時(shí)的，我們?cè)谌粘?a href='http://m.portlandfoamroofing.com/rensheng/shenghuo/' target='_blank'>生活中不考慮這兩種物質(zhì)的存在，不僅是因?yàn)樗鼈冎辉趦蓸O尺度產(chǎn)生顯著的影響，還因?yàn)槲覀儾涣私馑鼈儭?br>
科學(xué)家正全力以赴地追循暗物質(zhì)的足跡。萊瑟特所在的研究小組打算將探測(cè)器升級(jí)到更靈敏的水平，以期發(fā)現(xiàn)更為實(shí)質(zhì)性的暗物質(zhì)信號(hào)。另一個(gè)可能在地球上找到暗物質(zhì)的辦法，是依靠高能粒子加速器，它可以將比原子還小的亞原子微粒加速到光速，再進(jìn)行相互碰撞，這種極大的碰撞能量會(huì)產(chǎn)生異常粒子，其中包括暗物質(zhì)。目前一些科學(xué)家將希望寄托在位于瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)身上。作為有史以來(lái)最大的加速器，LHC有足夠的能量去產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。
稿源：青年參考
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