12月17日8時(shí)12分，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”在酒泉成功發(fā)射升空。為更多了解關(guān)于暗物質(zhì)的奧秘，我們圍繞“悟空”升天這一事件與國家天文臺天體物理科學(xué)家、《星際穿越》圖書譯者團(tuán)隊(duì)的茍利軍、王嵐、李然、王喬4位老師進(jìn)行了討論，以下是談話內(nèi)容的整理。

暗物質(zhì)是什么？

我們平時(shí)用繩子牽引著一個(gè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)感覺到，旋轉(zhuǎn)速度越快繩子繃得越緊，這是因?yàn)槲矬w旋轉(zhuǎn)需要提供更大的向心力。宇宙中天體旋轉(zhuǎn)時(shí)，提供旋轉(zhuǎn)的向心力就是引力。

但在1933年，加州理工學(xué)院的天體物理學(xué)家弗里茨·茲威基卻發(fā)現(xiàn)了星系之間相互繞轉(zhuǎn)軌道有巨大異常。他通過天文觀測，估算出星系間的相對運(yùn)動(dòng)速度、星系的質(zhì)量，進(jìn)而得到它對于其他星系的引力。這些星系的運(yùn)動(dòng)速度都很快，以至于引力無法將它們束縛在同一個(gè)星系團(tuán)中。理論上，這個(gè)星系團(tuán)必定會(huì)四處飛散，很快就被徹底摧毀。如果用繩子旋轉(zhuǎn)的例子來說，就是繩子無法承受這樣的速度而被甩斷。

（茲威基研究的后發(fā)星系團(tuán)中的星系）

于是，茲威基作出了一個(gè)有根據(jù)的推測：后發(fā)星系團(tuán)中一定充滿了某種“暗物質(zhì)”，它們的引力足夠強(qiáng)，可以把星系團(tuán)束縛在一起。

這就像是稱體重一樣，本來我們根據(jù)一姑娘的體型估測她體重是50kg，結(jié)果體重秤卻顯示有200kg。在檢查了體重秤、引力都沒有問題后，我們只能猜測姑娘身上有著某種我們看不見的東西占著很大一部分體重咯。

這種看不見的物質(zhì)，在科學(xué)上定義為看不見，即電磁相互作用很弱甚至沒有的物質(zhì)。但還好它們能產(chǎn)生足夠大的引力，即使我們看不見，也有其他辦法觀測到它們。到20世紀(jì)70年代的時(shí)候，我們已經(jīng)很清楚地知道所謂暗物質(zhì)幾乎彌漫于所有星系團(tuán)甚至單個(gè)星系中。到21世紀(jì)初的時(shí)候，我們已經(jīng)知道暗物質(zhì)會(huì)對遙遠(yuǎn)星系的光線產(chǎn)生引力透鏡效應(yīng)?，F(xiàn)在，這些透鏡效應(yīng)被用來探測宇宙中暗物質(zhì)的分布。

 

星系團(tuán)Abell 2218中的暗物質(zhì)對更遙遠(yuǎn)星系產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)，圖中被引力透鏡作用的星系變?yōu)榛⌒危ㄗ仙Τ龅男窍担?/p>

暗物質(zhì)弄明白了，那么，暗能量又是什么？

我們知道，宇宙起源于137億年前的一場爆炸，科學(xué)家們稱之為“宇宙大爆炸”（Big Bang）。雖然現(xiàn)在還不知道引起大爆炸的原因，但我們知道宇宙從那一刻起，就變成了充滿高溫氣體的浩瀚海洋，并且向所有方向飛速膨脹。隨著時(shí)間的推移，宇宙逐漸冷卻，形成了各種構(gòu)成我們宇宙物質(zhì)的基本粒子。

 

（我們所在宇宙的演化歷程）

如果沒有任何束縛的話，宇宙會(huì)不斷膨脹下去。但宇宙中的所有物質(zhì)（恒星、星系、星系團(tuán)、暗物質(zhì)等）之間都通過引力相互吸引。引力的存在應(yīng)該會(huì)使宇宙減慢其膨脹速度。

但在1998年，兩個(gè)研究小組卻分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了震驚世人現(xiàn)象：宇宙正在加速膨脹！如果把我們的宇宙看作是一個(gè)正在吹起的氣球的話，我們之前對宇宙膨脹的預(yù)測，應(yīng)該是氣球一端在進(jìn)氣，另一端在出氣，氣球膨脹速度應(yīng)該越來越慢，甚至可能出現(xiàn)氣球縮小的情況。但觀測結(jié)果卻表明，氣球幾乎沒有出氣，進(jìn)氣卻越來越多，膨脹速度更快了！

宇宙為什么會(huì)加速膨脹？

有兩個(gè)可能：一方面，愛因斯坦的相對論引力定律有誤；另一方面，宇宙中除了普通物質(zhì)和暗物質(zhì)之外，還有另一種物質(zhì)存在，這種物質(zhì)對引力有排斥作用。

許多物理學(xué)家堅(jiān)決支持愛因斯坦的相對論物理定律，完全不想放棄它，所以他們傾向于排斥力。這種假想的具有排斥力的事物被命名為“暗能量”（dark energy）。

這個(gè)問題目前還沒有定論，但是如果這一異常真的是由暗能量引起的，那么通過引力觀測我們知道，在宇宙目前的總質(zhì)量的大致占比，暗能量占68.3%，暗物質(zhì)占26.8%，而構(gòu)成你、我、行星、恒星和星系的普通物質(zhì)（或者叫重子物質(zhì)）則僅占4.9%。

為什么這顆衛(wèi)星命名為“悟空”？

據(jù)說科學(xué)家們之所以給這顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星取名“悟空”，正是期待它像那支著名的猴子一樣有著身入險(xiǎn)境的勇氣，像齊天大圣的火眼金睛一樣在茫茫太空中，識別暗物質(zhì)的蹤影，去“領(lǐng)悟太空”，最終跟斗戰(zhàn)勝佛一樣取得暗物質(zhì)的真經(jīng)。

（原來如此，但科學(xué)家們就沒計(jì)算過天宮一號的心理陰影面積呢？）

“悟空”是什么？

悟空的更準(zhǔn)確的說是一顆空間高能粒子探測器，主要探測電子宇宙射線、高能伽馬射線和核素宇宙射線等。如果看偵探小說就會(huì)知道有一個(gè)羅卡定律——“凡有接觸，必留痕跡”。暗物質(zhì)粒子可能會(huì)因?yàn)榕鲎蹭螠缁蛩プ儯l(fā)出宇宙射線，我們就可以通過這些宇宙射線產(chǎn)生的痕跡，即特定能譜來探測暗物質(zhì)。

（暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星 DAMPE“悟空”）

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”是我國發(fā)射的首顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，也是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，它的復(fù)雜度和工程實(shí)現(xiàn)難度都遠(yuǎn)超以往。它可以測量入射粒子的電荷數(shù)、入射方向及入射能量，進(jìn)而區(qū)分入射粒子的種類。根據(jù)探測得到的數(shù)據(jù)，我們就有可能反推出暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

探測暗物質(zhì)的意義是什么？

其實(shí)，我們現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些暗物質(zhì)，比如中微子就是其中一種，但根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)中微子質(zhì)量所占比例非常小，所以宇宙中肯定還有更多尚未被人們發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)存在。向空間發(fā)射探測衛(wèi)星就是其中的一個(gè)手段，美國也有類似的探測行動(dòng)，但從反饋數(shù)據(jù)來看，置信度不夠高，并不足以作為宇宙存在大量暗物質(zhì)的證據(jù)。

我們知道2013年上半年歐洲核子研究組織宣布，確認(rèn)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的最后一種基本粒子被找到，填上了標(biāo)準(zhǔn)模型挖的坑。2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也毫無懸念地頒給了在希格斯玻色子研究中做出重大貢獻(xiàn)的弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。

（探測希格斯玻色子時(shí)的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞軌跡圖）

科學(xué)研究經(jīng)常就是先假定一個(gè)理論，挖一個(gè)大坑，然后再由大家合力把這個(gè)坑填上。如果暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”能發(fā)現(xiàn)宇宙中大量暗物質(zhì)存在的證據(jù)，就相當(dāng)于挖了一個(gè)更大的坑，讓我們更進(jìn)一步理解我們的宇宙。這個(gè)發(fā)現(xiàn)肯定是諾貝爾獎(jiǎng)級別的，而且會(huì)催生更多諾貝爾獎(jiǎng)級的研究出現(xiàn)。

現(xiàn)階段可能很難找到直接應(yīng)用的例子說明探測暗物質(zhì)的實(shí)際意義。就像愛因斯坦提出相對論，哥本哈根學(xué)派發(fā)展量子力學(xué)一樣，當(dāng)時(shí)的人們也不會(huì)想到這些理論對我們現(xiàn)在生活有這么大影響。我們每天應(yīng)用的衛(wèi)星GPS定位就需要應(yīng)用相對論進(jìn)行修正，還有現(xiàn)在新興的量子力學(xué)計(jì)算機(jī)也可能成為未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向。

如果要用一個(gè)通俗的比方，來說明科學(xué)家們探索宇宙中暗物質(zhì)的目的的話，可能就像那個(gè)稱體重的姑娘一樣，發(fā)現(xiàn)自己的體重跟預(yù)期的偏差很大，總要找出理由來解釋一下?；蛘撸覀円部梢愿鶕?jù)這些新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生像《星際穿越》這樣優(yōu)秀的科幻電影和圖書。

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