上天入地“搜捕”暗物质

大自然讨厌不合情理

如果你觉得“暗物质”这一概念令人难以置信，那么，和你一样的人其实有很多。最早提出证据并推断暗物质存在的科学家，是当时正在美国工作的一位瑞士天文学家。他发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的总质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。他由此怀疑，宇宙中很可能充满着某种看不见的神秘物质，它们既不发光也不吸收光，但却通过其强大的引力作用于星系。那时候，大多数天文学家都对这一近乎疯狂的想法嗤之以鼻。

然而，在之后的几十年中，暗物质存在的证据不断增加。到如今，尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但暗物质已经成为宇宙研究中一个牢固确立的概念。事实上，这个概念几乎必须存在，否则难以解释为何单个星系快速旋转却没有分崩离析。总之，如果不存在总质量比我们看得见的“亮物质”远远大得多的暗物质，那么宇宙将不合情理，而大自然是最讨厌不合情理的。

黑暗却真实的宇宙

为了理解宇宙中的暗物质，请想象一下在一个漆黑的夜晚，你飞行在崇山峻岭之上，你知道下面有连绵起伏的山峦，但你却啥也看不见。突然，散落在山坡上的农家的灯光进入了你的视野，为你勾勒出了山坡的大致轮廓，同时也使你明白，在远处的黑暗中还隐藏着更多更大的无法看见的山体。其实，我们所面对的宇宙与此相似。我们习惯将夜晚看到的点点星光当做宇宙，但事实上，我们面对的是一个黑暗却真实的宇宙，一个你的老师没有告诉过你的宇宙。

天文学家的研究已经证明，包括我们的太阳、银河系在内的所有看得见的“亮物质”只占宇宙总物质量的10%不到；而既不发光也不吸收光的暗物质却占了宇宙总物质量的90%以上。黑洞是现在已知的一种暗物质，但它对暗物质总量的贡献非常微小。那么，绝大多数的暗物质在哪儿呢？

没有暗物质不会有人类

为了了解暗物质的物理性质，就必须先知道它们在哪里，又是如何随时间成团的。但是，自古以来天文学家所能看到的仅仅是有限的亮物质，它们就像散落在茫茫群山中的点点灯光；他们无法看到暗物质，就像他们看不见漆黑夜幕下的群山一样。但这种情况正在发生改变，天文学家正在利用并完善一项被称为“弱引力透镜”的新技术。由于暗物质会使其附近的光线弯曲，因此，通过观测由此导致的遥远星系形状的微小变化，以及星系间排列的变化，就能反演出暗物质的存在。虽然弱引力透镜的效果对于我们的眼睛来说并不明显，但它确实影响着每一个遥远星系的外形。天文学家可以把遥远星系影像的微小变化，转变成一张观测者和遥远星系之间的质量分布图，其中既包含了亮物质也包含了暗物质。

尽管提出弱引力透镜的设想仅仅是几年前的事情，但世界各国的天文学家都在致力于这项工作，挖掘它的潜力。他们相信，弱引力透镜是寻找暗物质最直接的宇宙探测器。如今，他们已经绘制出了最新的关于暗物质的三维分布图：它令人信服地证明，在宇宙大爆炸结束后，是暗物质像框架一样既把星系维系在了一起，同时又为亮物质提供了结构空间。也就是说，包括银河系在内的几乎每一个星系，都被安全地包裹在一团巨大的暗物质中。如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，就更不会有今天的人类。

世界上最优越的地底实验室

尽管天文学家利用弱引力透镜已经获得了暗物质的三维分布图，但它毕竟是通过推论得来的；它无法解答“暗物质是什么”。至今仍有人怀疑暗物质是否真的存在，因为毕竟还没有人直接观察到这种物质，更没能“逮住”暗物质粒子。为了将暗物质“捉拿归案”，全世界目前至少有10项探索行动在进行，大型地底暗物质探测器项目就是其中之一。

2010年，我国首个极深地下实验室――“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并正式投入使用。它标志着中国已经拥有了世界上岩石覆盖最深的实验室，拥有了世界上最优越的探测暗物质的环境，能够自主开展“搜捕”暗物质这一国际上最前沿的基础研究课题。为什么说那里的环境是“最优越”的呢？

原来，在二滩水电站的建设过程中，曾在四川锦屏山底修建了一条长18千米的可以通行汽车的隧道，隧道上面是2500多米厚的山体岩石。该实验室利用这条已经完成历史使命的隧道，在其侧面开挖了一个长40米，高和宽各为6米的空间作为实验室。与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比，它的使用更为便利：不必坐着电梯上上下下，乘坐汽车就能钻入地底深处。而深埋地下2500米，更是难得，因为埋得越深，受宇宙射线的干扰就越少。

据介绍，从地面上出发，开车约20分钟就能到达该地下实验室。那里四季恒温冬暖夏凉，不需要用空调。与地面实验室唯一的不同，是那里没有窗户，刮风下雨丝毫感觉不到，进去久了也容易让人搞不清外面是白天还是黑夜。由于通风设备很好，在实验室待上半天，也不会有任何异样的感觉。而且，一旦仪器运行稳定，地下实验室的所有数据都会实时传送至地面监控室，无须研究人员24小时守着实验室中探测仪器。目前，上海交大和清华大学的两个实验组已入驻地下实验室。他们将使用不同的探测仪器“搜捕”暗物质粒子。

上天入地全方位“搜捕”

你可能会问：暗物质在宇宙中，科学家为什么要“钻”到极深的地下去“搜捕”它们呢？信不信由你，科学家相信每天可能有几万亿个暗物质粒子穿过了你的身体，但你却感觉不到，这是因为暗物质粒子极其微小。这和射进球门的足球会被球网挡住，而一颗玻璃弹子却能穿网而过是同样的道理。为了“网”住暗物质，科学家想了很多办法。

最初的办法是天文观测，弱引力透镜就是寻找暗物质在哪儿的宇宙探测器，但它无法“逮住”暗物质粒子。为此，科学家又采取了间接探测和直接探测两种办法。所谓间接探测，是通过地面或太空望远镜，探测暗物质相互碰撞产生的普通物质的粒子信号。而直接探测，则是让普通物质的原子核与暗物质碰撞，通过探测碰撞产生的信号来求证暗物质是否存在。上海交大实验组正在进行的就是利用液氙探测器，对暗物质进行直接探测。由于地球表面上宇宙射线众多，会对直接探测产生干扰，影响探测器鉴别暗物质粒子的能力；因此，深埋于地下2500米的实验室，可以为探测器挡去干扰，让它“专心”工作。

最了不起的事情

“捉拿”暗物质真是太难了。科学家认为，这与暗物质很可能是由“弱相互作用重粒子”组成的有关。“重”并不意味着这些粒子很大，只表明它们有质量，因此不仅能对引力产生反应，而且可以产生引力。“弱相互作用”的意思是，尽管有质量，但这些微粒同普通物质的相互作用微乎其微。科学家们还认为，弱相互作用重粒子在电磁上保持中性，既不带正电也不带负电。这就是我们无法看到它们，更难以“逮住”它们的原因。

你可能会问，如果探测到了暗物质，“逮住”暗物质粒子又能派上什么用场呢？是的，对科学家来说，这仍然是个未知数。粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘，它的成果对人类未来的生活究竟会发生怎样的影响，科学家现在确实还不得而知。这就像当年科学家开始研究电磁现象时，根本无法想象现在的电视、电脑和互联网一样。但无论如何，找到暗物质，对于人类对宇宙的认识来说，将是一件最了不起的事情。