暗物质：人类探索宇宙的一扇窗

它无所不在，却又无迹可寻。没有它就没有我们的宇宙，更谈不上今天的人类。它就是暗物质，一个让物理学界追寻半个多世纪的谜。

这个谜可能很快揭晓。当地时间３日，诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目（ＡＭＳ）团队宣布的成果，让人类在认识暗物质的道路上迈出重要一步。丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪已发现４０万个正电子，这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。

（图：科学家绘制出的宇宙暗物质三维数字分布图）

何为暗物质？

丁肇中团队的报告当天发表在《物理评论快报》上。这份著名的学术刊物同时刊发署名评论说，新成果具有“史无前例的灵敏度”，尽管现在还不能排除其他可能性，但它“强烈暗示”人们已捕捉到了暗物质的痕迹。

（图：丁肇中就暗物质的最新研究成果接受记者采访）

美国航天局局长查尔斯•博尔登３日也发表声明说，阿尔法磁谱仪首批研究成果“将有助于促进对基础物理学和天体物理学领域新的理解”，“我们期盼更多来自这一项目的令人激动的成果”。

然而，暗物质究竟为何物？他又有何魅力能让全球物理学界乃至整个人类为之深深着迷呢？

１９３７年，加州理工学院的瑞士天文学家弗里兹•扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果，这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外，还存在其它引力。天文学家进一步推断，在人类已知的宇宙物质之外，还有一种物质存在。

此后７０多年的研究、分析均表明，这一至今未被人们观测到的物质即“暗物质”在宇宙中存在，而且其在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙２５％，暗能量占７０％，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量５％。可以说，如果人类不了解暗物质的性质，就不能说我们了解宇宙。

然而，一个事实是，暗物质无法被直接观测到，只能通过其与物质的相互作用来间接“观察”，这无疑使得对它的研究难度大大增加。

漫漫追寻路

早在上世纪６０年代，丁肇中就踏上了追寻暗物质的征程。“我的创意是１９９４年２、３月时提出的，因为我在６０年代末就做过反物质的实验，此后也经常考虑暗物质、反物质的问题，”丁肇中此前曾表示。

（图：位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心的丁肇中团队工作办公室）

从理论上讲，如果反物质存在，它会在太空中发射出反氦或反碳等原子核，这些反原子核会穿过太空接近地球，从而应该能够在太空中被探测到。对此，丁肇中的想法是，需要把磁铁运载到太空，检测对来自遥远恒星发出的粒子流，寻找反物质。

１９９５年，美国宇航局接受了丁肇中的构思，同意他的阿尔法磁谱仪在国际空间站里占据一席之地，并用航天飞机将它运载到空间站，希望借此能够让国际空间站扬名，但美国宇航局不为阿尔法磁谱仪的建造埋单。

１９９８年，凭借着主要从美国能源部和多个国外合作者处获得的资金，丁肇中的想法终于接近了现实。当年６月份，磁谱仪项目的实验机阿尔法磁谱仪１搭乘“发现”号航天飞机升空１０天，获得了大量重要数据。

然而，命运多舛，２００３年美国“哥伦比亚号”航天飞机解体，造成７名宇航员丧生的事故后，美国航空航天局宣布航天飞机时代结束，原定的２００５年载运阿尔法磁谱仪进入太空的计划被取消。谈及当时的感受，丁肇中说，“那是我第一次在面对挫折时，感到自己有一种无能为力的感觉。”

随之而来的是多年的艰苦抗争，２０１１年５月，在美国国会的支持下，由丁肇中主持、凝聚全球５４个科研机构、数百名研究人员心血与智慧的阿尔法磁谱仪２终于得以搭载最后一班航天飞机进入国际空间站。

３天后，阿尔法磁谱仪收集到的首批数据发回位于日内瓦的控制中心。而此次最新公布的研究成果，就是基于阿尔法磁谱仪从２０１１年５月至２０１２年１２月记录的２５０亿个宇宙射线事件。

开启一扇窗

尽管取得了重要的突破，但在丁肇中的眼里，这也仅仅是他几十年“暗世界”艰苦探索中打开的一扇窗，远还不到庆功的时候。

丁肇中３日晚间在位于瑞、法边境的欧洲核子研究中心阿尔法磁谱仪项目办公室告诉新华社记者，目前ＡＭＳ收集到４０万个正电子，远远超出人们的想象。此前包括美国费米望远镜等项目都曾观察到过量正电子现象，但数据误差很大，而ＡＭＳ的误差只有１％，“相当于肉眼和精密显微镜的区别。”

刊登在新一期《物理评论快报》的研究成果显示，在５亿至１００亿电子伏特区间内，正电子占正电子和电子总和的比例随能量的增加而减小；在１００亿到２５００亿电子伏特的区间内，比例递增；到２５００亿电子伏特之后，比例曲线基本变平。正电子比例能谱没有随时间改变，同时高能正电子不是来自空间某个特定的方向。

丁肇中解释说，这些成果表明：正电子比例随着能量增加继续上升；比例上升是很平衡的，没有出现峰值；正电子来源没有特定方向，“这三点都支持正电子来源于暗物质，可是没有完全的证据。”

他指出，要确认正电子是由暗物质粒子碰撞、湮灭产生的，还需观测到正电子比例上升到峰值后是否有骤降。如果观察到骤降，说明来自暗物质对撞；如缓慢下降，则可能来自脉冲星。

丁肇中说，作为ＡＭＳ这样一个大型物理实验项目的负责人，必须保持冷静，因此对正电子的来源持开放态度，“最重要的是把数据准确地拿出来，不要有误差，”他说，“千万不能有偏见。”

丁肇中说，可能还要花一段时间才能最终确定这些正电子“到底是怎么来的”。他说，目前收集到的数据是ＡＭＳ预期收集数据的１０％左右，这个项目还是“刚刚开始”，还有很多未知等待科学家们去探测。（完）

（未经宣讲家网站同意，请勿转载。转载需注明：来源宣讲家www.71.cn）

责任编辑：蔡畅

文章来源：http://www.71.cn/2013/0409/708941.shtml