#人類目前如何探測暗物質(zhì)?#

上世紀三十年代，科學家扎維觀察星系的運動時發(fā)現(xiàn)，星系的運行速度要比根據(jù)萬有引力定律計算出的速度大。以那么大的速度轉(zhuǎn)動，按理說會被甩出去，可實際上星系還是在那里運轉(zhuǎn)。扎維大膽地猜測宇宙中還存在我們看不見的質(zhì)量，他把那些沒有被看到的物質(zhì)命名為暗物質(zhì)。

扎維的觀點在當時沒有引起關(guān)注，幾十年后科學家在研究螺旋星體的運動、恒星速度色散關(guān)系、星體的引力透鏡等問題時發(fā)現(xiàn)了與理論不符的現(xiàn)象，看不見的暗物質(zhì)設(shè)想得到了重視。雖然有一部分科學家從修改引力理論方面去解決遇到的問題，但是修改后的理論并不能解釋所有的現(xiàn)象，并且還會面臨很嚴重的問題。暗物質(zhì)理論被大多數(shù)科學家所認同。根據(jù)理論分析，宇宙中看得見的物質(zhì)大約占4%至5%，暗物質(zhì)大約是物質(zhì)的5至6倍。

暗物質(zhì)存在與否不能只看理論，還需要發(fā)現(xiàn)它。暗物質(zhì)不參與電磁相互作用，故不論什么頻段的望遠鏡都不能觀察到它。目前探測暗物質(zhì)常用的方法有三種。

第一種方法是借助大型對撞機。對撞機能夠?qū)⒄?span id="d8ytguq" class="wpcom_tag_link">粒子加速到很高的能量后迎頭相撞，在撞擊的過程中會產(chǎn)生新的粒子，也許能夠產(chǎn)生未曾發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)粒子。雖然看不到暗物質(zhì)粒子，但是其他粒子很容易探測到。如果把其他粒子都找到后發(fā)現(xiàn)有能量丟失，有可能就是被暗物質(zhì)粒子帶走的。

第二種方法是假設(shè)暗物質(zhì)也存在正反粒子，暗物質(zhì)的正反粒子湮滅后可能會產(chǎn)生普通的粒子，根據(jù)產(chǎn)生的普通粒子去推測暗物質(zhì)的存在。這種方法用得比較普遍，上世紀末丁肇中就曾將阿爾法磁譜儀送到太空尋找暗物質(zhì)，遺憾的是沒有獲得想要的數(shù)據(jù)。目前國際空間站上還有第二代阿爾法磁譜儀超期服役，依然在為探測暗物質(zhì)努力著。中國也有自己的命名為“悟空”的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星，探測宇宙中來自暗物質(zhì)的過量正電子。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多異常的正電子，至于這些正電子是否來自暗物質(zhì)還需要進一步確認。

第三種方法是讓暗物質(zhì)和原子核相撞，原子核獲得動量后會在探測器中顯現(xiàn)出電信號。由于太陽系中暗物質(zhì)的分布不均勻，地球轉(zhuǎn)到不同位置時暗物質(zhì)和原子核的碰撞也就會有不同，這樣探測器探測到的信號就會表現(xiàn)出隨季節(jié)的變化。宇宙射線中的高能粒子也會撞擊原子核，為了避開宇宙射線，探測器只能到深深的地下。中國在錦屏山建有世界上最深的探測實驗室，深度達2400米。

以上三大方法使用以來，并沒有取得確切證據(jù)表明暗物質(zhì)的真實存在。也許是實驗的精度還需進一步提高，也許需要探索新的方法。去年11月，中國科學技術(shù)大學的彭新華在《自然-物理》發(fā)表論文，他與德國科學家合作的團隊開發(fā)出一種新型超靈敏量子精密探測技術(shù)，利用自選放大器將暗物質(zhì)與原子核作用產(chǎn)生的贗磁場進行放大，使原子磁力計的磁探測靈敏度提高100倍，大大提高了搜尋靈敏度，并且可將實驗裝置的尺寸縮小到桌面那么大。該方法有望在探測暗物質(zhì)、粒子物理學、原子與分子物理學等領(lǐng)域產(chǎn)生大的影響。

19世紀末物理學的天空有兩朵烏云，那兩朵不起眼的烏云最終引起了物理學翻天覆地的變化，相對論和量子力學相繼建立起來。有很多人認為暗物質(zhì)、暗能量就是當今物理學天空中的烏云。關(guān)于暗物質(zhì)的理論研究及實驗探索是當今粒子物理學的重要研究熱點，這一問題的解決也許真的能夠帶來物理學又一次翻天覆地的變化。值得一提的是，中國在這方面的研究并不落后于其他國家，中國的科技實力整體上是在穩(wěn)步提升的。