暗物质的第一道曙光

4月5日出版的《物理评论快报》受0到了全球的瞩目，诺贝尔物理学奖获得者丁肇中领导的阿尔法磁谱仪项目（AMS）在其上了首次实验结果。该刊物同期刊发署名评论称“新成果具有史无前例的敏锐性，尽管现在还不能排除其他可能性，但它强烈暗示人类已捕捉到了喑物质的痕迹。”

19年，6组，30次

丁肇中先生说：“我在上世纪60年代末就做过反物质的实验，此后也经常考虑喑物质、反物质的问题。我的创意是1994年2、3月时提出的，从此就踏上了追寻喑物质的征程。”这个创意指的是“阿尔法磁谱仪”实验。这一旨在空间寻找反物质和暗物质的大型国际合作科学实验项目由美、中、法等16个国家和地区数百名研究人员参与。该项目也因此被认为是继人类基因组计划、国际空间站计划、强子对撞机计划后又一个大型国际科技合作项目。

“阿尔法磁谱仪”1号于1998年6月由美国“发现”号航天飞机搭载，在距离地球表面约400千米高空成功进行了为期10天的首次太空试验。受美国“哥伦比亚”号航天飞机失事的影响，AMS实验几度受挫。经丁先生多方奔走，2011年5月16日“阿尔法磁谱仪”2号由美国“奋进”号航天飞机搭载至国际空间站，并长期在轨运行。

截至目前，“阿尔法磁谱仪”探测到超过40万个正电子，“我们同时启用6个团队对相同的数据结果进行分析。众所周知，每个物理学家都有他们自己的见解，我们要保证每个人都能同意彼此的观点，”丁先生说。4月5日的这篇论文结果表明AMS发现了弱作用重粒子（WIMP）存在的证据，而WIMP就是一种喑物质的候选体。“这篇论文不简单的是几页纸，我们修改了30次才定稿，因为它，太重要。”

合理即存在

我们都听过黑格尔所谓的“存在即合理”，放在很多天文学的事件上来看，往往要反过来说，“合理即存在”。在早期的天文观测中，人们会发现某些行星的运动无法用万有引力的理论来解释，是万有引力“失效”了？还是存在着其他的引力体未被发现？历史证明，是后者。人们往往是在理论上推断出其合理性后主动去搜寻其存在性，海王星的发现便是如此。

大约80年前，瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基发现，在所观察的一些星系团中星系运动速度比预想得更快，当时所能观测到的星球和星系中并没有足够的引力场足以束缚其聚集在一起。因此，大家便猜测这些星系团中应该有种看不见的神秘物质，贡献着神秘的引力。虽然我们从来没有直接“看到”宇宙中存在的这种“理论”上的物质，但我们发现了它存在的合理性，因为我们“看到”了由于它的的存在，其引力作用对于其他可见物质运动的影响。在随后几十年中，这一合理性一再被各种天文观测证明。

目前科学界普遍认可的观点认为，这种神秘物质是一种超出我们目前认知的存在，它很可能是一种不参与电磁相互作用的、我们已知的粒子（如质子、电子、中子等）之外的全新粒子。

我们只看见了4%

这种神秘物质不发光，不仅指不发出可见光，至少在人类所有可探测的电磁波谱段，从无线电波段、红外到y射线，都探测不到它的踪迹。因为“看不见”，于是，我们叫它“暗物质”。

那么看不见的这部分在宇宙中占据着怎样的地位呢？在观测中不断间接证明暗物质存在的合理性后，天文学家们尝试从理论的源头来解释，他们先将目前观测可见的宇宙中所有星系和尘埃相加，得出一个总质量。而后由广义相对论框架下的宇宙膨胀速度，得出另一个总质量。结果显示，后一个质量远远大于前一个。远远，这个词似乎让我们为之一颤，也就是说，我们还没发现的那一部分在宇宙中很可能是占主导地位的。

这一部分是暗物质吗？如果宇宙中只有我们一直熟悉的“常规”物质和理论上推出的喑物质的话，它们产生的引力只会引起宇宙减速。所以当1998年，天文学家在发现宇宙正在加速膨胀这一现象后，我们又被震撼了，还有更神秘的！这种宇宙中可能存在不一定是物质的东西，但因为他一定具有能量，所以我们叫它“暗能量”。

通过计算机仿真，我们将普通物质、暗物质和暗能量作为输入，让其使宇宙膨胀起来，看怎样的比重得出的演化结果同我们今天的宇宙最相近。三者的比例在4‰23%：73%左右时，模拟的宇宙最像真的。也就是说，我们习以为常的，认为组成这个世界的“常规”物质只占了其中的4%。我们只看见了4%，只知道了4%。如此渺小。

寻找23%

也许是出于对未知的好奋，或者直白点说是恐惧，我们将“什么是暗物质”、“喑能量的本质是什么”这两个问题列在了新世纪物理与天文学界要解答的11个难题中，并位列第一、二位。

今天，人类对物质世界的认知仿佛又站在了一个台阶的边缘，从日心说到万有引力，我们的视野在扩张；从相对论到神秘的暗物质、暗能量，我们对宇宙法则的了解可能将面临着又一次重大的突破。

对于宇宙中4%的常规物质，我们已经建立了一套非常完备的理论进行描述。就如在我们的认知中电子是带负电的一样，这套标准模型已不再适用于宇宙中喑物质的现象。“阿尔法磁谱仪”就是为了寻找喑物质的踪迹，以通过观测这一目前最明确地突破了标准模型的现象，企图深入探讨物质构成的规律。也许有一天我们会重新构建已知的一切所谓“规律”。

怎样证明暗物质存在？目前，最被物理学家看好的暗物质模型，是所谓弱作用重粒子（WIMP）。因为这种粒子与普通物质有弱相互作用，所以具有可探测性。而本次“阿尔法磁谱仪”给出的第一份报告正是通过对探测到的正电子进行数据分析，得出WIMP存在的可能性。

如何“捕捉”喑物质？人们除了通过直接探测原子核与喑物质碰撞产生光学、声学、电子学信号的办法外，还通过探测喑物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，来间接探测之。由于地面上各种辐射干扰众多，影响其鉴别能力，所以要想捕捉暗物质，往往要“上天入地”。天上，丁肇中团队的“阿尔法磁谱仪”是目前灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台喑物质探测设备。

中国元素

这篇引人关注的论文署名中，有18个中国人的名字，他们是中山大学参加AMS计划的师生。其实除却中山大学参与研发的径迹探测器的热控系统，台湾的中山科学院也为磁谱仪项目设计出了运行速度比美国航空航天局现行系统快10倍的电子控制系统。特别值得一提的是“阿尔法磁谱仪”的核心组件——永磁体系统同样是“中国制造”。这块内径约1.2米、重约2.6吨、中心磁场强度1370高斯的环形巨大永磁铁，选择新型高磁能积钕铁硼材料，实现磁体与地磁无相互作用的力矩，极大降低了对空间飞行器的影响，解决了几十年来不能将较强磁场磁体送人外层空间运行的世界性技术难题。“近40年无法解决的难题，最后还是由中科院电工所给解决了”丁肇中说，“如果缺少了中国科学家，如何将大型磁体放人太空这一几十年来的难题恐怕现在还无法解决。”

在探索喑物质的征程中，除了随“阿尔法磁谱仪”升空的“中国芯”，我们中国人做出的贡献还包括深埋在中国四川锦屏地下的喑物质探测器实验室。2010年12月，目前世界上条件最好的地下实验室——中国锦屏极深地下喑物质实验室正式挂牌。它是当前世界上最深的地下实验室，上方有2.5千米岩层覆盖，宇宙射线通量最少。而且良好的地质环境使得地下实验室不是被花岗岩，而是大理岩包覆，其自然放射性相当低，实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低，和著名的意大利GRAN SASSO地下实验室相比，放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数，包括宇宙射线通量、光子和中子的通量，都在测量之中。