新華社北京11月8日電(記者喻菲)“路漫漫其修遠(yuǎn)兮,吾將上下而求索。”中國(guó)科學(xué)院院士、粒子物理學(xué)家陳和生用2000多年前屈原的這句名言來(lái)形容科學(xué)家對(duì)宇宙本質(zhì)孜孜不倦的探索,并鼓勵(lì)中國(guó)科學(xué)家和青年學(xué)子為暗物質(zhì)的尋找和研究做出重大貢獻(xiàn)。
在近日舉行的國(guó)際“暗物質(zhì)日”北京站活動(dòng)上,陳和生院士指出,暗物質(zhì)和暗能量是本世紀(jì)物理學(xué)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),也意味物理學(xué)面臨重大突破的歷史機(jī)遇,需要理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、天文學(xué)家密切合作,共同努力破解世紀(jì)謎題。
2015年12月17日暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空。 新華社記者喻菲攝
陳和生介紹,有越來(lái)越多的天文觀測(cè)表明,在星系到宇宙尺度上存在一些與牛頓和愛(ài)因斯坦引力理論不一致的現(xiàn)象。例如:根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力公式推算出太陽(yáng)在銀河系中的轉(zhuǎn)動(dòng)速度應(yīng)為170公里/秒,但實(shí)際觀測(cè)速度是220至250公里/秒。如果牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論是正確的話,必然得到這樣的結(jié)論:銀河系周圍有大量不可見(jiàn)卻能產(chǎn)生引力的神秘物質(zhì)形成的球狀暈。
他說(shuō),數(shù)十年來(lái),各種各樣的天文觀測(cè)結(jié)果都支持暗物質(zhì)的存在。宇宙微波背景輻射觀測(cè)實(shí)驗(yàn)——威爾金森微波各向異性探測(cè)器(WMAP)的觀測(cè)結(jié)果給出了宇宙組份的比例:普通物質(zhì)占4.9%,暗物質(zhì)占26.8%,暗能量占68.3%。
尋找宇宙魅影
粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”正確地解釋了幾乎所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,獲得了18次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。“然而暗物質(zhì)和暗能量的存在使粒子物理學(xué)面臨最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),標(biāo)準(zhǔn)模型只能解釋宇宙中約5%的物質(zhì),卻對(duì)宇宙的95%都一無(wú)所知。”陳和生說(shuō),“這就如同我們依然在瞎子摸象,或是井底之蛙。”
在中國(guó)科技館舉行的“國(guó)際暗物質(zhì)日”活動(dòng)上陳和生院士在做科普?qǐng)?bào)道。 新華社記者喻菲攝
暗物質(zhì)和暗能量被科學(xué)家比喻為當(dāng)前物理學(xué)天空的“兩朵烏云”。目前科學(xué)家只知道暗物質(zhì)沒(méi)有電磁和強(qiáng)相互作用,有引力相互作用,應(yīng)當(dāng)有弱相互作用,應(yīng)當(dāng)是在宇宙大爆炸中產(chǎn)生的,但不知道暗物質(zhì)到底是什么,最流行的理論猜想是一種具有弱相互作用的重粒子(WIMPs)。
陳和生介紹,近30年,尋找暗物質(zhì)粒子一直是國(guó)際粒子物理學(xué)界的熱點(diǎn),科學(xué)家主要通過(guò)三種類型的實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找:第一種是在超高能對(duì)撞機(jī),例如歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上產(chǎn)生暗物質(zhì)候選粒子;第二種是在太空探測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生的粒子(如高能光子、正電子、反質(zhì)子等)的能譜,這類實(shí)驗(yàn)包括國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀(AMS)和中國(guó)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”;第三種是直接探測(cè),即測(cè)量暗物質(zhì)粒子與探測(cè)器的原子核碰撞產(chǎn)生的信號(hào),由于這樣的信號(hào)非常微弱,為了屏蔽宇宙射線的干擾,這類實(shí)驗(yàn)都在很深的地下開(kāi)展。
陳和生指出,即便這三種實(shí)驗(yàn)中的任何一種發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)候選粒子,要確認(rèn)它就是暗物質(zhì)也是極為艱巨的任務(wù),三種實(shí)驗(yàn)或至少兩種,必須相互驗(yàn)證,才能確認(rèn)這種粒子的存在。
他猜想暗物質(zhì)研究有可能取得突破的方式包括:出現(xiàn)“21世紀(jì)的愛(ài)因斯坦”指點(diǎn)迷津,提出革命性的物理理論;上天、入地、加速器這三類實(shí)驗(yàn)確認(rèn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的暗物質(zhì)粒子;更多的天文觀測(cè)和宇宙學(xué)研究給出不同結(jié)論。
中國(guó)貢獻(xiàn)
在暗物質(zhì)這一國(guó)際前沿科學(xué)探索中,中國(guó)科學(xué)家希望能大有作為。
陳和生透露,中國(guó)科學(xué)家曾對(duì)國(guó)際空間站上AMS的核心部件——大型磁體的研制作出重要貢獻(xiàn)。中科院電工所、高能物理所和中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院在1995至1997年成功設(shè)計(jì)制造了AMS永磁體系統(tǒng)和主結(jié)構(gòu),并通過(guò)了美國(guó)宇航局嚴(yán)格的空間環(huán)境模擬測(cè)試,于1998年6月成為人類送入宇宙的第一個(gè)大型磁體。
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)組。 新華社記者沈伯韓攝
此外,中科院高能物理所研究員、粒子天體物理學(xué)家畢效軍也表示,中國(guó)將在新世紀(jì)“兩暗一黑”(暗物質(zhì)、暗能量、黑洞)探索中大顯身手。例如,在天上有中國(guó)的黑洞探測(cè)衛(wèi)星“慧眼”和暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”;而在地下,中國(guó)科學(xué)家正在四川錦屏2400米的地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。
清華大學(xué)副教授、中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室物理科學(xué)部負(fù)責(zé)人岳騫說(shuō),該實(shí)驗(yàn)室為中國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)提供了得天獨(dú)厚、國(guó)際一流的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,推動(dòng)了中國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)研究從無(wú)到有,在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)從“跟跑”到“并跑”。十三五期間,錦屏地下實(shí)驗(yàn)室將建成國(guó)際最深、空間最大的地下實(shí)驗(yàn)室,成為世界暗物質(zhì)研究“高地”。
陳和生說(shuō):“希望中國(guó)物理學(xué)家能夠?qū)Π滴镔|(zhì)這場(chǎng)革命作出重大貢獻(xiàn),這也是我們中國(guó)夢(mèng)的一部分。”
國(guó)際“暗物質(zhì)日”科普活動(dòng)由“國(guó)際高能物理互聯(lián)合作組織”發(fā)起,美國(guó)、英國(guó)、加拿大、法國(guó)、德國(guó)、中國(guó)等25個(gè)國(guó)家和地區(qū)于10月31日前后開(kāi)展了100多場(chǎng)活動(dòng)。10月28日上海站和11月5日北京站活動(dòng)由中科院高能物理所、上海交通大學(xué)粒子與核物理研究所共同主辦。(據(jù)新華社客戶端報(bào)道)
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