牛顿爱因斯坦错了吗?科学家上天入地寻找暗物质

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发布日期:2017年11月30日 所属分类:新知

11月30日,暗物质粒子探测卫星“悟空”公布了首批科学成果:目前国际上精度最高的电子宇宙线能谱。基于能谱的一些异常,科学家们发现了暗物质粒子可能存在的新迹象。

“悟空”的火眼金睛,试图穿透现代物理学的两朵乌云之一,让真相现形。这两朵乌云,就是暗物质和暗能量。它们围绕在万有引力和广义相对论的上空,已经接近一个世纪。

牛顿爱因斯坦错了吗?科学家上天入地寻找暗物质

暗物质粒子探测卫星“悟空”近日公布了首批科学成果。图为“悟空”在太空中的艺术化图像。

牛顿和爱因斯坦的引力理论将天体的运行规律归纳在简洁的公式中,根据一系列参数的设定,科学家们就能模拟出整个宇宙。

然而,从20世纪20年代开始,随着观测视野的拓宽,万有引力和广义相对论的计算在星系到宇宙的尺度上开始“跑偏”。

比如,根据牛顿万有引力的计算,太阳围绕银河系中心的运行速度应该在160公里每秒左右,然而,科学家们实际观测到的运行速度达到了240公里每秒。以这样的速度,太阳应该直接被“甩”出去才对。

爱因斯坦和牛顿,错了吗?

除非……银河系的实际质量,要比目前人类所知的大上10倍!银河系“谎报体重”!

换句话说,银河系的大部分,是由我们看不到的神秘物质构成的,它们提供了太阳与银心之间额外的引力,吸住了高速运行的太阳。这些暗物质和暗能量,仿佛一团晕,笼罩在整个银河系。

同样的“悬案”也衍生到了宇宙的整体布局上。若非还有神秘的不可见物质发挥了引力作用,科学家们难以解释星系们是如何从大爆炸后开始不均匀地分布、远离,形成如今的状态。

此时引用柯南道尔的名言,或许恰到好处:排除了一切的不可能,剩下的不管多么难以置信,一定就是真相。

这些不可见的“暗物质”,虽然和人类已知的粒子性质完全不同,但若要捍卫牛顿和爱因斯坦的引力理论,科学家们不得不接受这个全新的假设,上天入地,撒网寻找。随着新的观测结果不断证实,暗物质理论从一开始被斥为“旁门左道”,逐渐登堂入室,成为主流认知。

“悟空”善捉妖,这台望远镜,拥有世界最高探测精度的“火眼金睛”,正是在捉拿挑战牛顿和爱因斯坦的“妖魔鬼怪”。

那么,“妖魔鬼怪”究竟长什么样呢?

暗物质是什么样的?

根据估计,我们只能见到宇宙的5%,而不可见的暗物质大约占27%,暗能量大约占68%。

暗物质和暗能量的比重如此之大,可以说我们随着地球,穿行在暗物质和暗能量的海洋里。每秒钟就有上亿个暗物质粒子穿过我们的身体。

然而,人类对它们,实在知之甚少。

目前,暗物质只留下了很少的线索,留待科学家们侦探:

  • 它们的寿命很长,宇宙演化初期就已存在;
  • 在四种基本相互作用中,它们不参与强相互作用和电磁作用,否则,我们就会看到;
  • 它们有质量,参与引力作用;
  • 它们可能参与弱相互作用。

以上就是人类对暗物质的全部认知,可以说少得可怜。根据这些模糊的线索,科学家们给暗物质描绘过不同的“嫌疑犯画像”:轴子、惰性中微子、引力微子等等。

而目前最主流的答案,是WIMPs(弱相互作用大质量粒子)。这个模型假设,暗物质粒子内部具有弱相互作用,大质量则是相对氢原子而言更重。

暗物质怎么找?

要怎样找到看不见的WIMPs?科学家们真可谓是上天入地。

可行的方案有三种:加速器产生、空间探测、地下探测。

若能量足够高、流强足够大,粒子通过加速器对撞,理论上可以产生暗物质。如果WIMPs粒子具弱相互作用,且质量小于35TeV,就可以在世界上最强大的对撞机——欧洲核子中心的LHC上产生。

地下探测,则是为了减少宇宙射线的噪声,等待每天经过地球的不可见暗物质,能有一些撞飞可见的原子,以此找到暗物质。

上海交通大学、清华大学等团队就在四川锦屏山下2400米深处建立了地下实验室,守株待兔,甄别高纯锗和液氙原子被“撞飞”触发的光电信号,寻找暗物质经过的证据。

“悟空”采取的空间探测,是建立在这样一个假设的基础上:就像电子、夸克等粒子具有对应的反物质,WIMPs也应该有对应的反WIMPs。WIMPs和反粒子相互碰撞、湮灭,或者自身发生衰变时就会放出能量,而这些能量多以伽马射线和高能电子的可见形式释放出来。

银河系的中心,理论上是暗物质最稠密的地方。“悟空”本质上是一台望远镜,在500公里高的地球轨道上,守望遥远的银心,捕捉并甄别从那里放射的粒子。

“悟空”每天传送回500万个粒子信息,其中,有用的电子不到千分之一,而目标光子只有十万到百万分之一。最复杂的时候,需要汇集7万多路电子学信号通道,才能还原一个粒子的信息,就如7万个盲人摸象。

暗物质已经成为科学界最热门的“通缉犯”。所有上天入地的团队,包括国际空间站上,由诺奖得主丁肇中领导20余年的阿法磁谱仪,虽然都在不断找到新的迹象,但始终没有得到最终的证据。

所幸的是,与阿法磁谱仪等国际竞争者比起来,“悟空”具有3个世界之最的硬件优势:最高的能量分辨本领、最宽的观测能段、最强的高能粒子鉴别本领。“悟空”何时能捉妖成功,尚不得而知。但它的火眼金睛,每天都在一点点拓展人类认知宇宙的边界。

宇宙观的刷新

回到文章最初提到的比喻:暗物质和暗能量被许多人称为现代物理学的两朵乌云。这显然是对开尔文勋爵著名乌云比喻的致敬。

19世纪的最后一天,英国著名物理学家威廉·汤姆森(开尔文勋爵)发表了著名的新年致辞:物理大厦已经落成,所剩的只是一些修饰工作。只是,动力理论“美好而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了”。

当时这两朵乌云是“光以太”和“黑体辐射”。为了解决这两朵乌云,后世出现了两大学说:广义相对论和量子力学。

上海交通大学在锦屏地下实验室的暗物质项目PandaX负责人季向东曾告诉澎湃新闻,很多人会问,找到暗物质有什么用。而他想说的是,找到暗物质,是对人类宇宙观的颠覆性刷新。这样的刷新,自哥白尼提出“日心说”以来,也没有几次。

中国科学院院长白春礼在“悟空”的成果发布会上,同样以“乌云比喻”的例子回应“暗物质对人类社会有什么影响”:没有广义相对论,人类就不能发展航天技术;没有量子力学,半导体、量子通信和量子计算都无从谈起。可见物质只占到宇宙密度的不到5%,暗物质和暗能量,是我们认知宇宙的全新窗口。(澎湃新闻记者 虞涵棋)

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