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解读暗物质:隐藏宇宙起源等诸多未解之谜

(2010年03月24日 13:06:31)
来源:新浪科技

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  作为现代理论物理前沿领域热点的“暗物质”,一直被认为远离地球,飘散在太阳系以外的某个无名角落里。但据美国“太空”网站近日报道,美国科学家发布的一项最新研究结果表明,神秘的暗物质可能就隐藏在地球上。这一有待证实的新发现让科学界为之一振。

  暗物质是什么?连科学家们也不敢说自己很了解。不过我们知道,暗物质一旦被证实,将为物理界以及整个人类的认识掀开崭新的一页。

  经过坚持不懈的观测工作,去年12月,美国科学家安装在明尼苏达州地下700米的暗物质探测器有了反应,该反应被认为极可能是“暗物质”引起的。相关论文近日发表在美国权威期刊《科学快报》上。

  虽然自从被提出以来就神龙见首不见尾,但暗物质隐藏了许多现代物理学的秘密——宇宙的起源和组成、基本粒子的性质、时间的流逝等,涉及相对论、量子力学等物理学中最高深的理论,其重要性可想而知。因此这则消息一经发布,便引发了专业媒体甚至大众媒体井喷式的报道,美国《大众科学》杂志、《科学美国人》杂志、英国《新科学家》杂志、英国《卫报》和《每日邮报》等,都在显著位置进行了报道。

  宇宙中仅5%是可见物质

  在科幻作品中,经常可以看到暗物质这个词。尽管如此,暗物质却绝非出自某位科学幻想大师之手,而是有着确凿的根据。它是1934年瑞士天文学家弗里兹·兹威基在研究星系团中星系的轨道速度时,为了解决“缺失的物质”问题而提出的概念。

  当时兹威基经过计算认为,星系的平均质量实际上比根据其亮度计算出的质量大160倍,这就意味着绝大多数物质是不可见的。

  起初,兹威基的结论没引起重视,直到约40年后,人们在研究星系中恒星的运动时遇到类似的困难,暗物质的说法才逐渐获得认可。目前,天文学领域很多证据都支持暗物质存在的说法,包括引力透镜(光线在经过星体边缘时受引力场作用发生偏折的现象)研究和宇宙膨胀率。

  说到暗物质,这里不得不提到它的“近亲”——暗能量。两者很容易混淆,一些非专业媒体在报道时,也很容易犯这样的错误。暗能量是人们在建立宇宙的膨胀模型中提出的假想,指一种充溢空间的、具有负压强的能量,它很好地解释了已被哈勃望远镜证实的宇宙加速膨胀的现状。

  与暗物质相比,暗能量在分布范围上广得多,占据着宇宙结构的绝大部分。根据美国国家航空航天局(NASA)公布的数据,暗能量约占宇宙结构的70%,暗物质约占25%,剩下的约5%是可见物质。

  所谓信号只是“狼来了”?

  这次发现是美国明尼苏达大学物理学与天文学院助理研究员安吉拉·莱瑟特与她所在的团队的收获,他们的实验数据源于一个深埋在地下的暗物质探测器——CDMS探测器。该探测器被埋在明尼苏达深达700米的地下,以周围的岩石、塑料、铅、铜等物质来阻止暗物质之外的正常微粒到达探测器,这样可能与暗物质相混淆的宇宙射线和其他粒子就被排除在外了。探测器本身不大,跟冰球相仿,主要由锗元素和硅元素构成。

  探测器的构造是基于这样的原理:暗物质主要由“弱相互作用粒子”(WIMP)组成,这种粒子能和锗原子或硅原子发生核反应,产生的特定信号能被探测器捕捉到。一旦观测到信号,就可以确定有WIMP穿过探测器,即“暗物质来了”。研究人员已确认有两个信号可能与暗物质有关。对科学家们来说,此次实验尽管不能完全确定暗物质的存在,却在提高探测精度方面取得了可喜的进步。

  需要指出的是,这并不是第一次有研究声称可能发现暗物质了。2007年,位于意大利首都罗马附近的巨石峰国家实验室曾发布消息,称探测到了WIMP,一时间引起轰动。但后来有多位学者对巨石峰国家实验室使用的DAMA探测器提出质疑,最终这一发现没有获得科学界认同。

  从科学研究的严格性上讲,莱瑟特等人的这次发现也可能是“狼来了”。美国《大众科学》杂志分析说,即便是发现了信号,也绝不能马上断定暗物质存在。这主要是由于WIMP不是一种被了解得很清楚的粒子,而是一类粒子的总称,至今科学界对WIMP家族有多少种粒子、其物理性质都不甚清楚。另外,用WIMP作为暗物质存在的依据也不一定可靠,因为暗物质与硅或锗原子间的相互作用涉及一系列粒子和力,而WIMP只是其中一种。

  科学家全力追循暗物质足迹

  作为“光明”的反义词,“黑暗”一向不会给人带来愉快的联想,但恐怕“黑暗双塔”——暗物质和暗能量要颠覆这一思维定势了。莱瑟特等人的研究暗示,暗物质可能就在地球上,这意味着我们每天都在和这种神秘的物质打交道。而暗能量更是有过之而无不及,根据推算,暗能量弥漫在宇宙的每一个角落,看不见,摸不着,目前无法被探测到。

  暗物质和暗能量这两种假想概念,支撑着人们在21世纪建立起来的众多理论——粒子模型、宇宙膨胀、宇宙辐射等。“了解暗物质和暗能量,是21世纪科学史的大挑战。”2008年10月12日,诺贝尔物理学奖获得者李政道教授在人民大会堂举行的“隆重纪念望远镜发明400周年——科学大师演讲会”上这样说。这两种假想被证实或是被否定,都将对物理学的未来产生深远影响。

  到目前为止,“黑暗双塔”只统治着物质尺度的两极——动辄数亿光年的星系尺度以及小至百万分之一纳米(1纳米为十亿分之一米)的亚原子尺度。但这只是暂时的,我们在日常生活中不考虑这两种物质的存在,不仅是因为它们只在两极尺度产生显著的影响,还因为我们不了解它们。

  科学家正全力以赴地追循暗物质的足迹。莱瑟特所在的研究小组打算将探测器升级到更灵敏的水平,以期发现更为实质性的暗物质信号。另一个可能在地球上找到暗物质的办法,是依靠高能粒子加速器,它可以将比原子还小的亚原子微粒加速到光速,再进行相互碰撞,这种极大的碰撞能量会产生异常粒子,其中包括暗物质。目前一些科学家将希望寄托在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)身上。作为有史以来最大的加速器,LHC有足够的能量去产生暗物质粒子。 (森堡)



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