寻找暗物质

章 江

酷似幽灵难现身

我们仰望星空时发现，除了太阳、月亮和星星，宇宙是空荡荡的。但实际上，这只是一种错觉。科学家的研究表明，宇宙的密度由约4.9%的普通物质、26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。也就是说在整个宇宙中我们能看到的普通物质只占不到5%，剩下绝大部分都看不见。不是仅用肉眼在可见光波段看不见它们，而是不论探测什么波段的电磁波，比如无线电、红外线、紫外线、X射线等，都看不到它们。

我们之所以能够见到这个世界，遥望空中的日月星辰，看到身边的桌椅板凳，是因为这些东西或者说这些物质，要么能够与光互动，被光照亮，要么能够自己发出光亮。

分子和原子是普通物质构成的基石，这些基石能够组装在一起，本质上是它们之间的电磁力在发挥作用。也正是通过这样的电磁作用，我们才能够触摸到这个大千世界。

暗物质指的是看不见的物质，不是因为没有光照亮它们，而是因为光照不亮它们。暗物质不发射光子，不吸收、不散射光子，也不参与电磁作用，人们目前只能通过引力产生的效应感受它们的存在。

这种神秘的物质穿透力出奇的强。一个暗物质粒子，可以在地球的这一端很轻松地跑到地球的另一端，也可以很轻松地穿过太阳，因此不可能用个瓶子装起来。

暗物质被称为“世纪之谜”，国际粒子物理学界将每年的10月31日定为“国际暗物质日”，以有效地推动开展暗物质的探索。暗物质是什么，以何种形式存在，和人类又会产生怎样的联系等谜底的揭开，或许会与牛顿力学、爱因斯坦相对论一样，开启人类新的物理时代。

根据现在的各种物理学理论，在宇宙137亿年的演化过程中，暗物质起了决定性的作用。如果没有它们的存在，整个银河系和太阳系就不是目前的样子。相对论和量子力学刚出现时，认为它们有用的人寥寥无几，但一百年后的今天，手机里所有的芯片，电脑、互联网的发明都源于这些理论。也许在一百年后，我们的生活从早到晚全是暗物质。正因为如此，科学家才全力追寻暗物质。

中国暗物质粒子探测卫星“悟空”

“悟空”卫星首次发布的高能电子宇宙线能谱（红色），绿色和蓝色分别是阿尔法磁谱仪和费米空间望远镜的数据

“悟空”发现惊世界

暗物质既不发光，也不参与电磁作用，行动速度比56式半自动步枪子弹还快300倍，目前只能通过引力产生的效应感受到它的存在。迄今为止一直没人知道暗物质是什么模样的，还没有确凿的证据说“这就是暗物质”。为了追捕这种神秘的物质，科学家使出了各种招数，通过排除法，一点点寻找它们的踪迹。

一是模拟宇宙大爆炸，利用大型强子对撞机，把粒子加速再让它们相撞，看能否在实验室中通过普通粒子来产生暗物质。

二是“入地”，直接探测暗物质。目前世界上岩石覆盖最深的实验室是中国四川雅砻江边的锦屏地下实验室，位于锦屏山腹部的隧道中部，垂直岩石覆盖达2 400米。

三是“上天”，进行间接探测。根据目前理论物理学家的解释，如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭，将可能转换为高能电子。到空间去精确地探测高能电子能谱，就可以发现暗物质的蛛丝马迹，间接证明它们的存在。

2015年12月17日，中国成功发射了暗物质粒子探测卫星“悟空”。它的核心使命是追捕暗物质，在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据，观测多种高能粒子，并进行天体物理研究。

“悟空”卫星在轨运行状态良好，工作表现近乎完美。“悟空”的火眼金睛其实就是一台宇宙射线望远镜，自上天以来便持续不断地记录着来自宇宙的高能粒子。在运行的头530天里一共记录到28亿个高能粒子，从中分辨出150万个高能电子，测量了它们的能量和来源方位。从这些数据中，科学家试图找出暗物质粒子湮灭的关键证据。

2017年11月27日，“悟空”卫星获得了世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱。这个发现让人们对发现暗物质增添了信心—这有可能为暗物质存在提供新的依据。

虽然现阶段找不到暗物质，但不表示失败。

每一次发现新的信号，科学界都会为之震动，公众则会反复追问：找到暗物质了吗?科学家却只能回答：可能吧。在前沿科学研究领域，这样的对话可能会延续很多很多年，直到多个方向的研究成果反复互证，科学家才会最终宣布，我们找到了暗物质。