23
| 本文作者： 湛廬文化 | 2015-12-18 15:51 |
12月17日8時12分，暗物質粒子探測衛星“悟空”在酒泉成功發射升空。為更多了解關于暗物質的奧秘，我們圍繞“悟空”升天這一事件與國家天文臺天體物理科學家、《星際穿越》圖書譯者團隊的茍利軍、王嵐、李然、王喬4位老師進行了討論，以下是談話內容的整理。
我們平時用繩子牽引著一個物體旋轉時會感覺到，旋轉速度越快繩子繃得越緊，這是因為物體旋轉需要提供更大的向心力。宇宙中天體旋轉時，提供旋轉的向心力就是引力。
但在1933年，加州理工學院的天體物理學家弗里茨·茲威基卻發現了星系之間相互繞轉軌道有巨大異常。他通過天文觀測，估算出星系間的相對運動速度、星系的質量，進而得到它對于其他星系的引力。這些星系的運動速度都很快，以至于引力無法將它們束縛在同一個星系團中。理論上，這個星系團必定會四處飛散，很快就被徹底摧毀。如果用繩子旋轉的例子來說，就是繩子無法承受這樣的速度而被甩斷。
（茲威基研究的后發星系團中的星系）
于是，茲威基作出了一個有根據的推測：后發星系團中一定充滿了某種“暗物質”，它們的引力足夠強，可以把星系團束縛在一起。
這就像是稱體重一樣，本來我們根據一姑娘的體型估測她體重是50kg，結果體重秤卻顯示有200kg。在檢查了體重秤、引力都沒有問題后，我們只能猜測姑娘身上有著某種我們看不見的東西占著很大一部分體重咯。
這種看不見的物質，在科學上定義為看不見，即電磁相互作用很弱甚至沒有的物質。但還好它們能產生足夠大的引力，即使我們看不見，也有其他辦法觀測到它們。到20世紀70年代的時候，我們已經很清楚地知道所謂暗物質幾乎彌漫于所有星系團甚至單個星系中。到21世紀初的時候，我們已經知道暗物質會對遙遠星系的光線產生引力透鏡效應。現在，這些透鏡效應被用來探測宇宙中暗物質的分布。
星系團Abell 2218中的暗物質對更遙遠星系產生的引力透鏡效應，圖中被引力透鏡作用的星系變為弧形（紫色圈出的星系）
我們知道，宇宙起源于137億年前的一場爆炸，科學家們稱之為“宇宙大爆炸”（Big Bang）。雖然現在還不知道引起大爆炸的原因，但我們知道宇宙從那一刻起，就變成了充滿高溫氣體的浩瀚海洋，并且向所有方向飛速膨脹。隨著時間的推移，宇宙逐漸冷卻，形成了各種構成我們宇宙物質的基本粒子。
（我們所在宇宙的演化歷程）
如果沒有任何束縛的話，宇宙會不斷膨脹下去。但宇宙中的所有物質（恒星、星系、星系團、暗物質等）之間都通過引力相互吸引。引力的存在應該會使宇宙減慢其膨脹速度。
但在1998年，兩個研究小組卻分別獨立發現了震驚世人現象：宇宙正在加速膨脹！如果把我們的宇宙看作是一個正在吹起的氣球的話，我們之前對宇宙膨脹的預測，應該是氣球一端在進氣，另一端在出氣，氣球膨脹速度應該越來越慢，甚至可能出現氣球縮小的情況。但觀測結果卻表明，氣球幾乎沒有出氣，進氣卻越來越多，膨脹速度更快了！
有兩個可能：一方面，愛因斯坦的相對論引力定律有誤；另一方面，宇宙中除了普通物質和暗物質之外，還有另一種物質存在，這種物質對引力有排斥作用。
許多物理學家堅決支持愛因斯坦的相對論物理定律，完全不想放棄它，所以他們傾向于排斥力。這種假想的具有排斥力的事物被命名為“暗能量”（dark energy）。
這個問題目前還沒有定論，但是如果這一異常真的是由暗能量引起的，那么通過引力觀測我們知道，在宇宙目前的總質量的大致占比，暗能量占68.3%，暗物質占26.8%，而構成你、我、行星、恒星和星系的普通物質（或者叫重子物質）則僅占4.9%。
為什么這顆衛星命名為“悟空”？
據說科學家們之所以給這顆科學實驗衛星取名“悟空”，正是期待它像那支著名的猴子一樣有著身入險境的勇氣，像齊天大圣的火眼金睛一樣在茫茫太空中，識別暗物質的蹤影，去“領悟太空”，最終跟斗戰勝佛一樣取得暗物質的真經。
（原來如此，但科學家們就沒計算過天宮一號的心理陰影面積呢？）
悟空的更準確的說是一顆空間高能粒子探測器，主要探測電子宇宙射線、高能伽馬射線和核素宇宙射線等。如果看偵探小說就會知道有一個羅卡定律——“凡有接觸，必留痕跡”。暗物質粒子可能會因為碰撞湮滅或衰變，而發出宇宙射線，我們就可以通過這些宇宙射線產生的痕跡，即特定能譜來探測暗物質。
（暗物質粒子探測衛星 DAMPE“悟空”）
暗物質粒子探測衛星“悟空”是我國發射的首顆科學實驗衛星，也是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星，它的復雜度和工程實現難度都遠超以往。它可以測量入射粒子的電荷數、入射方向及入射能量，進而區分入射粒子的種類。根據探測得到的數據，我們就有可能反推出暗物質存在的證據。
其實，我們現在已經發現了一些暗物質，比如中微子就是其中一種，但根據計算發現中微子質量所占比例非常小，所以宇宙中肯定還有更多尚未被人們發現的暗物質存在。向空間發射探測衛星就是其中的一個手段，美國也有類似的探測行動，但從反饋數據來看，置信度不夠高，并不足以作為宇宙存在大量暗物質的證據。
我們知道2013年上半年歐洲核子研究組織宣布，確認發現希格斯玻色子，標準模型中預言的最后一種基本粒子被找到，填上了標準模型挖的坑。2013年的諾貝爾物理學獎也毫無懸念地頒給了在希格斯玻色子研究中做出重大貢獻的弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。
（探測希格斯玻色子時的質子-質子碰撞軌跡圖）
科學研究經常就是先假定一個理論，挖一個大坑，然后再由大家合力把這個坑填上。如果暗物質粒子探測衛星“悟空”能發現宇宙中大量暗物質存在的證據，就相當于挖了一個更大的坑，讓我們更進一步理解我們的宇宙。這個發現肯定是諾貝爾獎級別的，而且會催生更多諾貝爾獎級的研究出現。
現階段可能很難找到直接應用的例子說明探測暗物質的實際意義。就像愛因斯坦提出相對論，哥本哈根學派發展量子力學一樣，當時的人們也不會想到這些理論對我們現在生活有這么大影響。我們每天應用的衛星GPS定位就需要應用相對論進行修正，還有現在新興的量子力學計算機也可能成為未來計算機的發展方向。
如果要用一個通俗的比方，來說明科學家們探索宇宙中暗物質的目的的話，可能就像那個稱體重的姑娘一樣，發現自己的體重跟預期的偏差很大，總要找出理由來解釋一下。或者，我們也可以根據這些新的科學發現，產生像《星際穿越》這樣優秀的科幻電影和圖書。
雷峰網原創文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。
