寻找宇宙“幽灵”

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1、寻找宇宙“幽灵”　　爱因斯坦的广义相对论诞生100年来，在揭开宇宙奥秘的同时，也引发了一些至今仍未解开的谜团，其中，暗物质和暗能量这两个宇宙“幽灵”，被视为21世纪物理学研究的最重要问题之一。　　普通物质只占宇宙总质能的4.9%　　暗物质和暗能量是如何“现形”的？上海交通大学鸿文讲席教授、粒子与核物理研究所所长季向东介绍，天文学家发现，他们观测到的一些宇宙大尺度现象，与广义相对论、牛顿力学的理论预测并不相符。　　例如，银河系的恒星都在绕着银河系中心高速运动，根据广义相对论，恒星离星系中心越远，其运动速度应该越慢。但科学家在研究一个螺旋星系的旋转速

2、度时，发现星系外侧恒星的旋转速度，比预测速度快得多。　　这意味着两种可能：一是广义相对论在宇宙大尺度上失效，无法正确描述星系范围的引力；二是该理论仍然成立，只是在银河系等螺旋星系中，存在人类还无法观测到的物质。其质量非常大，使星系外侧的恒星高速运转，并用足够大的引力“拉”住这些高速运转的星球，使其不至于因离心力过大而脱离星系。　　许多物理学家选择了后一种解释，提出宇宙中存在“暗物质”。它们与人类已知的物质一样具有质量，却不与其发生电磁作用和强相互作用，因此人类几乎无法观测到。它们的密度很小，但数量庞大，因此总质量大得惊人。5　　如今，据物理学家推

3、测，银河系中暗物质的质量比普通物质多20倍以上；在整个宇宙，普通物质只占4.9%左右，暗物质则占26.8%左右，另外68.3%左右的质能来自暗能量。　　关于暗能量，美国天文学家哈勃发现，宇宙中的其他星系都在向着距离银河系越来越远的方向移动，而且它们移动得越远，运行速度就越快。这揭示了一个真相：宇宙正在加速膨胀。根据广义相对论和人类已观测到的物质，无法解释究竟是什么力量在把宇宙“越吹越大”。如果广义相对论是正确的引力理论，那么宇宙中很可能存在着一种充溢空间、增加宇宙膨胀速度的能量形式。它难以觉察，却真实存在。理论推测，银河系中心区域以及地球上都集聚

4、着大量暗物质，估计每秒大约有上亿个暗物质原子穿透我们的身体。　　地底最深处的“熊猫计划”　　暗物质和暗能量的存在，都有一个前提条件：广义相对论是适用于宇宙大尺度的引力理论。如今，大多数物理学家认为相对论是正确的，因而踏上了寻找暗物质和暗能量之路。　　在暗物质探测方面，我国科学家走在了世界前列。作为“熊猫计划”（PandaX）负责人，季向东带领团队在四川锦屏山地下实验室寻找暗物质的踪迹。5　　理论推测，银河系中心区域集聚着大量暗物质，它们应该会弥漫到地球，估计每秒大约有上亿个暗物质原子穿透我们的身体。当暗物质原子与物质原子碰撞后，会产生极其微弱的光

5、电信号，但要捕获它们极其困难。在地面上，各种宇宙射线对这种光电信号造成了极大的背景辐射干扰。为屏蔽干扰，实验必须深入地下。　　PandaX实验正是在世界上最深的四川锦屏山地下实验室进行。这一实验场所由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司于2010年联合开发，在隧道工程建设中利用了一个约2400米深的人工井。山洞上方被深厚岩石层所覆盖，以阻挡外界信号。　　PandaX是“粒子和天体物理氙探测器”的英文简写，以惰性元素氙（Xe）作为探测媒介。实验由上海交大牵头组织，合作组包括中美6家研究机构和大学在内，首期使用了约120公斤的液态氙作为“靶子”，探测

6、光临地球的暗物质粒子。　　2015年8月，实验组公布了立项4年来的首批物理数据――探测器记录了约400万个粒子撞击事例，在暗物质可能产生的“能量区”大约有1万个事例；而在探测器中心的37公斤液氙中，只有46个事例。通过与放射源的定标比较，这46个事例全部来自放射性本底，并没有暗物质留下的痕迹。　　季向东表示，首期实验主要探测的是轻质量的暗物质（粒子质量是质子的几倍），而物理学界认为，重质量的暗物质（粒子质量是质子的100倍左右）更多。为此，将目标锁定为重质量暗物质的二期实验即将启动，其探测规模和灵敏度是首期实验的4倍。“实验分析结果计划明年发表，

7、能否探测到暗物质？让我们拭目以待。”5　　除了地下探测，科学家还在太空和大型强子对撞机里寻找暗物质的蛛丝马迹。诺贝尔物理学奖得主丁肇中主持的暗物质研究小组，利用的是国际空间站上阿尔法磁谱仪的观测数据。理论推测，银河系中心的暗物质粒子彼此撞击后，会湮灭为普通物质和相应的反物质粒子。如果阿尔法磁谱仪探测到超出预期的普通物质和反物质粒子，就可能意味着银河系中心有暗物质。“我认为，在这三种实验方法中，地下探测最靠谱，因为它能直接探测到暗物质。”季向东说。　　探测宇宙“涟漪”　　广义相对论预言的引力波，也是百年未解之谜。中科院高能物理所研究员、北师大天文系

8、教授王运永介绍，根据爱因斯坦的引力场方程，可推导出“引力波”这种时空波动。如果把时空比作水面，宇宙中发生天体碰撞这样的大事后，就像石头落