作為現(xiàn)代理論物理前沿領(lǐng)域熱點的“暗物質(zhì)”，一直被認為遠離地球，飄散在太陽系以外的某個無名角落里。但據(jù)美國“太空”網(wǎng)站近日報道，美國科學家發(fā)布的一項最新研究結(jié)果表明，神秘的暗物質(zhì)可能就隱藏在地球上。這一有待證實的新發(fā)現(xiàn)讓科學界為之一振。
暗物質(zhì)是什么？連科學家們也不敢說自己很了解。不過我們知道，暗物質(zhì)一旦被證實，將為物理界以及整個人類的認識掀開嶄新的一頁。
經(jīng)過堅持不懈的觀測工作，去年12月，美國科學家安裝在明尼蘇達州地下700米的暗物質(zhì)探測器有了反應(yīng)，該反應(yīng)被認為極可能是“暗物質(zhì)”引起的。相關(guān)論文近日發(fā)表在美國權(quán)威期刊《科學快報》上。
雖然自從被提出以來就神龍見首不見尾，但暗物質(zhì)隱藏了許多現(xiàn)代物理學的秘密——宇宙的起源和組成、基本粒子的性質(zhì)、時間的流逝等，涉及相對論、量子力學等物理學中最高深的理論，其重要性可想而知。因此這則消息一經(jīng)發(fā)布，便引發(fā)了專業(yè)媒體甚至大眾媒體井噴式的報道，美國《大眾科學》雜志、《科學美國人》雜志、英國《新科學家》雜志、英國《衛(wèi)報》和《每日郵報》等，都在顯著位置進行了報道。
宇宙中僅5%是可見物質(zhì)
在科幻作品中，經(jīng)?？梢钥吹桨滴镔|(zhì)這個詞。盡管如此，暗物質(zhì)卻絕非出自某位科學幻想大師之手，而是有著確鑿的根據(jù)。它是1934年瑞士天文學家弗里茲·茲威基在研究星系團中星系的軌道速度時，為了解決“缺失的物質(zhì)”問題而提出的概念。
當時茲威基經(jīng)過計算認為，星系的平均質(zhì)量實際上比根據(jù)其亮度計算出的質(zhì)量大160倍，這就意味著絕大多數(shù)物質(zhì)是不可見的。
起初，茲威基的結(jié)論沒引起重視，直到約40年后，人們在研究星系中恒星的運動時遇到類似的困難，暗物質(zhì)的說法才逐漸獲得認可。目前，天文學領(lǐng)域很多證據(jù)都支持暗物質(zhì)存在的說法，包括引力透鏡(光線在經(jīng)過星體邊緣時受引力場作用發(fā)生偏折的現(xiàn)象)研究和宇宙膨脹率。
說到暗物質(zhì)，這里不得不提到它的“近親”——暗能量。兩者很容易混淆，一些非專業(yè)媒體在報道時，也很容易犯這樣的錯誤。暗能量是人們在建立宇宙的膨脹模型中提出的假想，指一種充溢空間的、具有負壓強的能量，它很好地解釋了已被哈勃望遠鏡證實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)美國國家航空航天局(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%是可見物質(zhì)。
所謂信號只是“狼來了”？
這次發(fā)現(xiàn)是美國明尼蘇達大學物理學與天文學院助理研究員安吉拉·萊瑟特與她所在的團隊的收獲，他們的實驗數(shù)據(jù)源于一個深埋在地下的暗物質(zhì)探測器——CDMS探測器。該探測器被埋在明尼蘇達深達700米的地下，以周圍的巖石、塑料、鉛、銅等物質(zhì)來阻止暗物質(zhì)之外的正常微粒到達探測器，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)生的特定信號能被探測器捕捉到。一旦觀測到信號，就可以確定有WIMP穿過探測器，即“暗物質(zhì)來了”。研究人員已確認有兩個信號可能與暗物質(zhì)有關(guān)。對科學家們來說，此次實驗盡管不能完全確定暗物質(zhì)的存在，卻在提高探測精度方面取得了可喜的進步。
需要指出的是，這并不是第一次有研究聲稱可能發(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家實驗室曾發(fā)布消息，稱探測到了WIMP，一時間引起轟動。但后來有多位學者對巨石峰國家實驗室使用的DAMA探測器提出質(zhì)疑，最終這一發(fā)現(xiàn)沒有獲得科學界認同。
從科學研究的嚴格性上講，萊瑟特等人的這次發(fā)現(xiàn)也可能是“狼來了”。美國《大眾科學》雜志分析說，即便是發(fā)現(xiàn)了信號，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，而是一類粒子的總稱，至今科學界對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，因為暗物質(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”一向不會給人帶來愉快的聯(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。而暗能量更是有過之而無不及，根據(jù)推算，暗能量彌漫在宇宙的每一個角落，看不見，摸不著，目前無法被探測到。
暗物質(zhì)和暗能量這兩種假想概念，支撐著人們在21世紀建立起來的眾多理論——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世紀科學史的大挑戰(zhàn)?！?008年10月12日，諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授在人民大會堂舉行的“隆重紀念望遠鏡發(fā)明400周年——科學大師演講會”上這樣說。這兩種假想被證實或是被否定，都將對物理學的未來產(chǎn)生深遠影響。
到目前為止，“黑暗雙塔”只統(tǒng)治著物質(zhì)尺度的兩極——動輒數(shù)億光年的星系尺度以及小至百萬分之一納米(1納米為十億分之一米)的亞原子尺度。但這只是暫時的，我們在日常生活中不考慮這兩種物質(zhì)的存在，不僅是因為它們只在兩極尺度產(chǎn)生顯著的影響，還因為我們不了解它們。
科學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器升級到更靈敏的水平，以期發(fā)現(xiàn)更為實質(zhì)性的暗物質(zhì)信號。另一個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，再進行相互碰撞，這種極大的碰撞能量會產(chǎn)生異常粒子，其中包括暗物質(zhì)。目前一些科學家將希望寄托在位于瑞士日內(nèi)瓦的大型強子對撞機(LHC)身上。作為有史以來最大的加速器，LHC有足夠的能量去產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。 (森堡)
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