“通缉”暗物质

张　欣

读书时代，第一次听到“暗物质”，陈学雷想到了柏拉图《理想国》中的那个洞穴：

在一个洞穴中有一群囚犯，他们手脚都被捆绑，身体也无法转动，只能背对着洞口。他们面前有一堵墙，身后燃烧着一堆火。在那面墙上他们看到了自己以及身后到火堆之间事物的影子，由于他们看不到任何其他东西，这群囚犯会以为影子就是真实的东西。

他们其中一个人挣脱了枷锁，摸索着出了洞口。他第一次看到了真实的事物。他返回洞穴并试图向其他人解释，那些影子其实只是虚幻的事物，并向他们指明光明的道路。但其他囚犯不相信，他们认为只有墙上影子才是真实。

“暗物质”的存在，让陈学雷明白，在浩瀚宇宙中，除了“墙上的影子”，还有更多人类未知的秘密有待破解。人类“挣脱枷锁”的过程可能漫长，但一旦破译“暗物质”，就像走出洞穴的那一步，将是历史性的。

像幽灵一样穿透地球

20世纪30年代初，瑞士天文学家Fritz Zwicky发惊人之语：在星系团中，看得见的星系只占总质量的不足1／300，而99％以上的质量是看不见的。

99％的星系团的质量下落不明!

兹威基用的是“以明察暗”的方法，道理类似盘查走私船只——一艘货轮，如果船主申报货物的数量和质量同货轮的吃水深度不相符合，那么它很可能夹带黑货。兹威基认为，“货轮”是星系团，“申报的货物”是看得见的星系，而“黑货”就是下落不明的物质。

这是最早的暗物质的存在证据。

兹威基继而提出“暗物质”这一概念：遥远的星系团里有一些物质很独特，它们既不发散光，也不吸收光、反射光。

中国科学院国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席研究员陈学雷告诉《瞭望东方周刊》：“通过计算星系团受重力束缚运动所需要的重力场，并对比星系团中看得到的物质所产生的重力场，科学家发现后者最多占总数的10％。”这种计算方法同测定海王星以及天狼星的伴星存在一样。

“也就是说，我们看得到的物质，包括星系以及星系之间的介质，都不足以把星系团吸引在一起。”陈学雷继续解释说，大量的对自然界中的电磁力“免疫”的不明物质肯定存在。

确定了暗物质的存在，“暗物质究竟是什么”成了科学家们继续关注的问题。人们首先想到的是不发光的普通物质，如气体、行星、已经冷却的白矮星等。但假设和推测一个个被推翻，研究证明它们不足以构成暗物质的主要部分。

“目前人们已确认占宇宙总密度约20％～25％的物质是暗物质，它是普通物质密度的4到5倍。”陈学雷说，种种天文学观测证据都表明，这些暗物质不可能由现在物理学上已知的任何一种粒子组成。甚至中微子，已知的物质中最难探测的一种质量非常轻、运动速度接近于光速的相互作用非常微弱的粒子(可以轻易穿过地球，甚至可以穿过很多地球)，也无法担当暗物质的角色。

“我们已知的就是暗物质是相互作用很弱、同时运动速度远小于光速。”陈学雷介绍说，为了揭开暗物质的神秘面纱，科学家们提出了一些大胆的假设：有的科学家猜想暗物质是人类未知的宇宙粒子的“超对称伙伴”；还有的猜想暗物质是三维空间以外的空间产物。

暗能量“复活”宇宙常数

“暗能量”最早来自理论猜测。为了不使星球由于相互吸引而挤在一起，爱因斯坦假设宇宙中存在一种与引力相对抗的排斥力，就是“宇宙常数”，从而使宇宙保持静态的稳定。

在发现了宇宙膨胀这个事实后，爱因斯坦就把“宇宙常数”从他的宇宙方程中抹去。但几十年后，“宇宙常数”又复活了。

1998年，天文学家们发现，宇宙不只是在膨胀，而且在以前所未有的加速度向外扩张，所有遥远的星系远离我们的速度越来越快。那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来，这是一种具有排斥力的能量，科学家们把它称为“暗能量”。

近年来，科学家们通过各种观测和计算证实，暗能量不仅存在，而且在宇宙中占主导地位，它的总量约达到宇宙总量的73％，而宇宙中的暗物质约占23％、普通物质仅约占4％。

“宇宙常数”化身“暗能量”成为宇宙的主导。

2004年，美国斯坦福大学的天体物理学家Andrei Linde领导的研究小组对宇宙中的暗能量进行计算后宣布，宇宙至少还能活240亿年。

他们利用哈勃望远镜观察到：一些超新星离我们远去的速度比以前观察到的超新星更快，这意味着宇宙膨胀速度比我们预期的更快。

暗能量和引力的角力将一直持续。240亿年后，暗能量产生的排斥力会否从引力手中彻底夺得控制权，以前所未有的速度推动宇宙膨胀?星系是否会全被撕裂开来导致宇宙动荡?对于人类，这还是很遥远的事情。

“但暗物质和暗能量的发现告诉人类，自然界是不可思议的!”陈学雷说，难以知晓的暗物质和暗能量刺激着人们去探索宇宙的真相，而一旦破译暗物质和暗能量的秘密，掌握了过去和现在为止的宇宙规律，“带来的科技进步将是革命性的。”

上天入地寻找暗物质

如果真正找到“暗物质”，对人类的将来会产生怎么样的影响?

陈学雷坦言，目前对暗物质和暗能量可能带来的影响并不清晰。

“但就像爱因斯坦的相对论刚发表时，谁能想到这样一个理论会催生原子弹爆发?像电磁学诞生的时候，谁能想到它会带给人类生活如此巨大的变化?”陈学雷认为，加起来占了宇宙总密度95％的暗物质和暗能量一旦被破译，潜力巨大。

也正是为了解答这些问题，“三路并进，寻找睹物质”已经被提上议事日程。

未来我国将发射专门的卫星，或者利用未来的空间站搭载探测装置，还将利用我国已经研发出的一些高能粒子探测技术，探测暗物质湮灭产生的宇宙线电子、伽马光子和反物质。紫金山天文台、中国科学院高能物理所都有类似利用航天技术开展空间暗物质探测实验的计划。

事实上，中国科学家已经在进行类似的研究。自1998年以来，美国ATIC实验在南极上空释放了多个搭载宇宙线探测器的气球，南京紫金山天文台空间天文实验室主任常进带领项目人员研制的探测器对高能电子进行探测后，发现高能电子流量在3000亿,--8000亿电子伏特能量区间远远超出了一般模型预计的流量。经过10年的数据分析，科学家认为这种高能电子流量的“不平滑”分布就是暗物质粒子湮灭的证据。

“在地面方面，我国刚刚建成的LAMOST光学望远镜即将开始观测，利用该望远镜观测星系的分布，可以了解宇宙大尺度结构，这是探测暗能量的一种重要方式。”陈学雷介绍说，我国西藏羊八井有两个宇宙线观测设备(分别与日本和意大利合作)，可以通过观测宇宙线间接探测暗物质的一些信号。同时，我国也在研究建造更大的羊八井宇宙线探测器。

另外，我国现在已计划在四川西昌附近的锦屏山建设地下实验室，开展暗物质直接探测工作。

“锦屏山地下实验室建在隧道里，上面是2500多米厚的山体岩石，”陈学雷告诉记者，岩石可以有效屏蔽宇宙线辐射，就可以放人高敏感度的探测器。

陈学雷说，我国在南极冰穹A建立了昆仑站，目前有理由认为昆仑站可能是一个具有世界——流观测条件的站址。

寻找暗物质，中国已发出“通缉令”。