張　欣

讀書(shū)時(shí)代，第一次聽(tīng)到“暗物質(zhì)”，陳學(xué)雷想到了柏拉圖《理想國(guó)》中的那個(gè)洞穴：

在一個(gè)洞穴中有一群囚犯，他們手腳都被捆綁，身體也無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，只能背對(duì)著洞口。他們面前有一堵墻，身后燃燒著一堆火。在那面墻上他們看到了自己以及身后到火堆之間事物的影子，由于他們看不到任何其他東西，這群囚犯會(huì)以為影子就是真實(shí)的東西。

他們其中一個(gè)人掙脫了枷鎖，摸索著出了洞口。他第一次看到了真實(shí)的事物。他返回洞穴并試圖向其他人解釋，那些影子其實(shí)只是虛幻的事物，并向他們指明光明的道路。但其他囚犯不相信，他們認(rèn)為只有墻上影子才是真實(shí)。

“暗物質(zhì)”的存在，讓陳學(xué)雷明白，在浩瀚宇宙中，除了“墻上的影子”，還有更多人類未知的秘密有待破解。人類“掙脫枷鎖”的過(guò)程可能漫長(zhǎng)，但一旦破譯“暗物質(zhì)”，就像走出洞穴的那一步，將是歷史性的。

像幽靈一樣穿透地球

20世紀(jì)30年代初，瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky發(fā)驚人之語(yǔ)：在星系團(tuán)中，看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的不足1／300，而99％以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的。

99％的星系團(tuán)的質(zhì)量下落不明!

茲威基用的是“以明察暗”的方法，道理類似盤查走私船只——一艘貨輪，如果船主申報(bào)貨物的數(shù)量和質(zhì)量同貨輪的吃水深度不相符合，那么它很可能夾帶黑貨。茲威基認(rèn)為，“貨輪”是星系團(tuán)，“申報(bào)的貨物”是看得見(jiàn)的星系，而“黑貨”就是下落不明的物質(zhì)。

這是最早的暗物質(zhì)的存在證據(jù)。

茲威基繼而提出“暗物質(zhì)”這一概念：遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)里有一些物質(zhì)很獨(dú)特，它們既不發(fā)散光，也不吸收光、反射光。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團(tuán)組首席研究員陳學(xué)雷告訴《瞭望東方周刊》：“通過(guò)計(jì)算星系團(tuán)受重力束縛運(yùn)動(dòng)所需要的重力場(chǎng)，并對(duì)比星系團(tuán)中看得到的物質(zhì)所產(chǎn)生的重力場(chǎng)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)后者最多占總數(shù)的10％。”這種計(jì)算方法同測(cè)定海王星以及天狼星的伴星存在一樣。

“也就是說(shuō)，我們看得到的物質(zhì)，包括星系以及星系之間的介質(zhì)，都不足以把星系團(tuán)吸引在一起?！标悓W(xué)雷繼續(xù)解釋說(shuō)，大量的對(duì)自然界中的電磁力“免疫”的不明物質(zhì)肯定存在。

確定了暗物質(zhì)的存在，“暗物質(zhì)究竟是什么”成了科學(xué)家們繼續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。人們首先想到的是不發(fā)光的普通物質(zhì)，如氣體、行星、已經(jīng)冷卻的白矮星等。但假設(shè)和推測(cè)一個(gè)個(gè)被推翻，研究證明它們不足以構(gòu)成暗物質(zhì)的主要部分。

“目前人們已確認(rèn)占宇宙總密度約20％～25％的物質(zhì)是暗物質(zhì)，它是普通物質(zhì)密度的4到5倍?！标悓W(xué)雷說(shuō)，種種天文學(xué)觀測(cè)證據(jù)都表明，這些暗物質(zhì)不可能由現(xiàn)在物理學(xué)上已知的任何一種粒子組成。甚至中微子，已知的物質(zhì)中最難探測(cè)的一種質(zhì)量非常輕、運(yùn)動(dòng)速度接近于光速的相互作用非常微弱的粒子(可以輕易穿過(guò)地球，甚至可以穿過(guò)很多地球)，也無(wú)法擔(dān)當(dāng)暗物質(zhì)的角色。

“我們已知的就是暗物質(zhì)是相互作用很弱、同時(shí)運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速。”陳學(xué)雷介紹說(shuō)，為了揭開(kāi)暗物質(zhì)的神秘面紗，科學(xué)家們提出了一些大膽的假設(shè)：有的科學(xué)家猜想暗物質(zhì)是人類未知的宇宙粒子的“超對(duì)稱伙伴”；還有的猜想暗物質(zhì)是三維空間以外的空間產(chǎn)物。

暗能量“復(fù)活”宇宙常數(shù)

“暗能量”最早來(lái)自理論猜測(cè)。為了不使星球由于相互吸引而擠在一起，愛(ài)因斯坦假設(shè)宇宙中存在一種與引力相對(duì)抗的排斥力，就是“宇宙常數(shù)”，從而使宇宙保持靜態(tài)的穩(wěn)定。

在發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹這個(gè)事實(shí)后，愛(ài)因斯坦就把“宇宙常數(shù)”從他的宇宙方程中抹去。但幾十年后，“宇宙常數(shù)”又復(fù)活了。

1998年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴(kuò)張，所有遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越來(lái)越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開(kāi)來(lái)，這是一種具有排斥力的能量，科學(xué)家們把它稱為“暗能量”。

近年來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)各種觀測(cè)和計(jì)算證實(shí)，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導(dǎo)地位，它的總量約達(dá)到宇宙總量的73％，而宇宙中的暗物質(zhì)約占23％、普通物質(zhì)僅約占4％。

“宇宙常數(shù)”化身“暗能量”成為宇宙的主導(dǎo)。

2004年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的天體物理學(xué)家Andrei Linde領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對(duì)宇宙中的暗能量進(jìn)行計(jì)算后宣布，宇宙至少還能活240億年。

他們利用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀察到：一些超新星離我們遠(yuǎn)去的速度比以前觀察到的超新星更快，這意味著宇宙膨脹速度比我們預(yù)期的更快。

暗能量和引力的角力將一直持續(xù)。240億年后，暗能量產(chǎn)生的排斥力會(huì)否從引力手中徹底奪得控制權(quán)，以前所未有的速度推動(dòng)宇宙膨脹?星系是否會(huì)全被撕裂開(kāi)來(lái)導(dǎo)致宇宙動(dòng)蕩?對(duì)于人類，這還是很遙遠(yuǎn)的事情。

“但暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴人類，自然界是不可思議的!”陳學(xué)雷說(shuō)，難以知曉的暗物質(zhì)和暗能量刺激著人們?nèi)ヌ剿饔钪娴恼嫦?，而一旦破譯暗物質(zhì)和暗能量的秘密，掌握了過(guò)去和現(xiàn)在為止的宇宙規(guī)律，“帶來(lái)的科技進(jìn)步將是革命性的。”

上天入地尋找暗物質(zhì)

如果真正找到“暗物質(zhì)”，對(duì)人類的將來(lái)會(huì)產(chǎn)生怎么樣的影響?

陳學(xué)雷坦言，目前對(duì)暗物質(zhì)和暗能量可能帶來(lái)的影響并不清晰。

“但就像愛(ài)因斯坦的相對(duì)論剛發(fā)表時(shí)，誰(shuí)能想到這樣一個(gè)理論會(huì)催生原子彈爆發(fā)?像電磁學(xué)誕生的時(shí)候，誰(shuí)能想到它會(huì)帶給人類生活如此巨大的變化?”陳學(xué)雷認(rèn)為，加起來(lái)占了宇宙總密度95％的暗物質(zhì)和暗能量一旦被破譯，潛力巨大。

也正是為了解答這些問(wèn)題，“三路并進(jìn)，尋找睹物質(zhì)”已經(jīng)被提上議事日程。

未來(lái)我國(guó)將發(fā)射專門的衛(wèi)星，或者利用未來(lái)的空間站搭載探測(cè)裝置，還將利用我國(guó)已經(jīng)研發(fā)出的一些高能粒子探測(cè)技術(shù)，探測(cè)暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的宇宙線電子、伽馬光子和反物質(zhì)。紫金山天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院高能物理所都有類似利用航天技術(shù)開(kāi)展空間暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃。

事實(shí)上，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)在進(jìn)行類似的研究。自1998年以來(lái)，美國(guó)ATIC實(shí)驗(yàn)在南極上空釋放了多個(gè)搭載宇宙線探測(cè)器的氣球，南京紫金山天文臺(tái)空間天文實(shí)驗(yàn)室主任常進(jìn)帶領(lǐng)項(xiàng)目人員研制的探測(cè)器對(duì)高能電子進(jìn)行探測(cè)后，發(fā)現(xiàn)高能電子流量在3000億,--8000億電子伏特能量區(qū)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般模型預(yù)計(jì)的流量。經(jīng)過(guò)10年的數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家認(rèn)為這種高能電子流量的“不平滑”分布就是暗物質(zhì)粒子湮滅的證據(jù)。

“在地面方面，我國(guó)剛剛建成的LAMOST光學(xué)望遠(yuǎn)鏡即將開(kāi)始觀測(cè)，利用該望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星系的分布，可以了解宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，這是探測(cè)暗能量的一種重要方式?！标悓W(xué)雷介紹說(shuō)，我國(guó)西藏羊八井有兩個(gè)宇宙線觀測(cè)設(shè)備(分別與日本和意大利合作)，可以通過(guò)觀測(cè)宇宙線間接探測(cè)暗物質(zhì)的一些信號(hào)。同時(shí)，我國(guó)也在研究建造更大的羊八井宇宙線探測(cè)器。

另外，我國(guó)現(xiàn)在已計(jì)劃在四川西昌附近的錦屏山建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)工作。

“錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室建在隧道里，上面是2500多米厚的山體巖石，”陳學(xué)雷告訴記者，巖石可以有效屏蔽宇宙線輻射，就可以放人高敏感度的探測(cè)器。

陳學(xué)雷說(shuō)，我國(guó)在南極冰穹A建立了昆侖站，目前有理由認(rèn)為昆侖站可能是一個(gè)具有世界——流觀測(cè)條件的站址。

尋找暗物質(zhì)，中國(guó)已發(fā)出“通緝令”。