浅谈科学对暗物质的研究

贾平

科学研究认为，我们今天的宇宙是137亿年前，一个微小的高密度火球发生大爆炸后形成的。这个宇宙由物质、反物质和暗物质构成。科学家把那些发光和能反光的物体如太陽和月亮等等可观察到的物体称之为物质，其原子核带正电，核外电子带负电。把那些与之相反，即其原子核带负电，核外电子带正电的物质称之为反物质。物质与反物质二者长得一模一样， 只是秉性相反，有如“镜像物”。把那些不发光也不能反光且用通常办法观测不到的物质称之为暗物质。为了加深对暗物质的认识，现将科学家探知的有关情况概述如下。

关于暗物质

20世纪30年代初，美国加州理工学院天体物理学家兹威基提出，宇宙间可见物质远远不足把宇宙连成一片，如果不存在一种看不见的暗物质，星系早就分崩离析。到20世纪70年代，多种天文观测都显示了暗物质的存在。但直到现在还没有找到确凿的证据被观测到。虽然科学家们还不知道暗物质由什么构成，但通过观测它如何影响普通物质，并模拟光的引力效应，还是对暗物质有了一些了解。暗物质粒子是不带电荷，只有一个磁极，没有电磁场的相互作用。有人把它形像地比作一个“极小的只有一个磁极的磁棒”。这个小磁棒能穿越电磁波、引力场和其他阻碍物，像幽灵一样。正因如此，科学家给它取了一个外号，叫幽灵粒子或称“上帝粒子”。上帝粒子就是人们所说的希格斯粒子。1964年，美国物理学家彼得 "希格斯在一篇学术论文中提出，在宇宙中有一种粒子场存在，这种粒子就是能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子。他认为，这种玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础，其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构成大千世界。这种理论中的粒子后来被别人以“希格斯”的名称命名，外号“上帝粒子”。

暗物质虽然我们看不到，但是我们可以通过它对可见物产生万有引力感知到它的存在和行动。科学家通过研究分析，认为宇宙中的物质主要是暗物质和暗能量。其中暗物质约占25.9%，暗能量约占69.2%，可观测到的物质很少，约占4.9%。

科学家对暗物质的探寻

为了寻找到暗物质，中外科学家进行了长期的不懈努力。他们的探寻方法主要有以下三种：

一是把探测器安放在空中进行寻找。主导这一工作的是美籍华裔诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授，他于1978年把一个装有敏感探测器的巨大气球，放到离地面35公里处探寻，得到了 28个正电子。1998年，他把一 个阿尔伐磁谱仪用“发现号”航天飞机送到太空寻找，获得了大量重要数据。2011年他又把一个新的阿尔伐磁谱仪送到空间站安放在一个永久性舱位进行寻找。2013年4月3日，丁肇中教授宣称，阿尔伐磁谱仪在太空发现了40万个正电子。并说，在获取这些正电子的过程中，随着能量的增加而上升，但未出现峰值，其正电子来源没有特定方向。据此，他认为这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。阿尔伐磁谱仪项目会萃了全球54 个科研机构的百名研究人员，其中名列第七位的是中国科学院电工所， 阿尔伐磁谱仪核心部分永磁体系统、整体散热系统及轨迹探测器热控系统等都是中国制造的。丁肇中教授对记者说，中国科学家（包括大陆和台湾）为这项工作做出了“决定性”的贡献，其中尤以中国科学院电工所、航天科技集团运载火箭技术研究院和台湾中山科学院贡献最大，最为关键。

2015年12月17日我国把一个高水平的探测卫星“悟空”送到500公里的太空进行探测，它每天将传回约16G数据量，地面有100余人的科学家团队对数据进行分析研究。

二是用粒子加速器和强子对撞机对撞粒子探寻。长期以来，美国费米国家实验室和欧洲核子研究中心一直在探寻暗物质。1977年，美国费米国家实验室利用粒子加速器进行粒子对撞，发现底夸克，证明底夸克必定与W 玻色子和Z玻色子同时存在于某处。2014年欧洲核子研究中心宣称，他们通过强子对撞实验证实了“幽灵粒子”（上帝粒子）的存在。这台强子对撞机安放在法国与瑞士边境的一条27公里长的隧道里，2010年3月启动后，每秒钟进行上千万次强子对撞，运转一小时所需费用超过134万元（人民币）。制造这台对撞机花费了 100亿美元。

三是在地下通过对人造物体进行照射探寻，科学家认为，实验室建在地下比较干净，可避免或减少宇宙射线的干扰。为此，我国科学家于2009 年5月，在四川锦屏地下建立了一座实验室，其深度超过加拿大的斯诺实验室（地下2000米），达2400米，这样能将宇亩射线通量降到地面水平的亿分之一。锦屏地下实验室于2010年12月12日投入使用，标志着我国自主开始大规模投入暗物质探寻。2014年12月，研究组成员方忠发表论文称，他们在人造材料钽、砷晶体中发现了幽灵粒子。2015年2月，方忠对外宣称他们通过向钽、砷晶体发射同步光源，首次检测到幽灵粒子。参加这项工作的翁红明说：我们的这一发现并未使用大型粒子对撞机，从这个角度来看，这个实验相当令人激动，它给我们带来了希望，不通过大型设备也能实现重大发现。

探测暗物质的意义

暗物质和暗能量被科学家称为笼罩在物理学头上的两朵乌云，揭开暗物质之谜，将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃，将带来物理学的又一次革命，将推动解释宇宙为什么会是这样以及将怎样演化，因此具有十分重要的意义。科学家认为，幽灵粒子能完成当前科技不可企及的诸多任务，能解决工业生产中的许多问题。可预见的有三：一是能解决智能电子设备耗电多的问题。当前电子设备充电都是电子流通过电线电路进入设备，设备不仅笨重不易控制，而且还会导致电能流失。暗物质没有电磁场的相互作用，具有绝好的超导性能，电器设备改用含有幽灵粒子的材料制作，不仅质地轻，便于控制，而且能节省电力，提高效能。

二是能解决量子计算机中光子量子态脆弱的问题。暗物质具有穿透障碍物的特性，把它应用到量子计算机领域。能使计算机中的光子长时间保持量子态。当前量子计算机面临的最大挑战是，被用来进行量子计算的光子等粒子量子态容易受电磁作用的干扰，导致失去或改变量子态，从而使得计算机停止工作，解决好这一问题将大大提高量子计算机的计算能力。

三是能解决手机需经常充电的问题。含有幽灵粒子的材料制造的智能手机不受外界干扰，不仅性能优越，而且耗电少，无需经常充电，可做到一年充一次电，这样的智能手机必将更加受到用户欢迎。

我国科学院高能物理研究所研究员陈国明认为，暗物质对人们生活的影响有多大，一时难以估量。上世纪初发展起来的物理学第一次革命，推翻了牛顿体系，建立了量子力学体系，还有爱因斯坦的相对论，当时对人们日常生活没有带来任何影响，但很快发展起来的半导体技术却极大的改变了人们的生活。