发现信号?地球上如果有"暗物质"意味着什么

2010/03/24 11:14    来源：青年参考    发表评论

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。