科學也可以如此靠近

悟空發現反常信號,真的破天荒撞上了暗物質?


2018年3月26日06時 今日科學 知乎專欄
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美國大西洋時間2017年11月29日PM1:10,即北京時間11月30日AM1:10,國際權威學術期刊Science《科學》雜誌官網,最新推出一條報導:中國暗物質粒子空間探測器發現反常電子信號,疑似跟暗物質有關。

China’s dark matter space probe detects tantalizing signal

另一家國際權威學術期刊Nature《自然》雜誌官網,也在今天(11月30日)發表學術文章,具體公布發現結果。

Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons

這一看似平淡的科學新聞,到底意味著什麼?

還是借用學術同行的評價,似乎更準確更客觀,美國普林斯頓大學天體物理學家大衛·斯佩格爾(David Spergel)認為:

「中國暗物質粒子空間探測器發現的反常電子信號,只是疑似跟暗物質有關,還不能說明這就是暗物質存在的確鑿證據。

更重要的是,中國是第一個提供有關暗物質觀測數據的,中國將成為空間科學的一支力量。

中國正在為天體物理學、空間科學做出重大貢獻。」

當然,中科院院長白春禮的評價更高更樂觀——

這一最新發現,是引領性原創成果的重大突破。如果後續研究證實,這一發現與暗物質相關,這將是一項具有劃時代意義的科學成果。即便與暗物質無關,也可能帶來對現有科學理論的突破。

為什麼評價如此之高?什麼樣的發現能夠掀起如此大浪?

先簡單說說暗物質(Dark matter),就是相對於我們常說的普通物質(可見物質、可觀測物質)來說的,暗物質無法被人類直接看見或者觀測到。

我們知道,可見物質之所以可見,就在於微觀尺度下,電子與光子發生相互作用,從而被我們肉眼看到,或者被各種觀測儀器捕捉到。

但暗物質恰恰相反,它根本不跟光波發生作用,對各種光作用都無動於衷,所以才導致人類既看不見,又測不到它。

既然看不見、測不到,為啥科學家還能知道它存在呢?

最有力的證據就是「星系自轉問題」和「引力透鏡效應」。

藝術家構想的存在於銀河系外盤的巨大暗物質。

如果你用傳統方法——通過測量星系亮度的方法估計星系質量,就會發現星系裡所有物質的引力,只相當於所有恆星束縛在一起所需引力的1/10。

類似地,更大尺度上的星系團、巨洞,宇宙當中物質的引力,同樣也只有所需引力的1/10。

這就奇怪了,宇宙剩下9/10的引力是從哪兒來的?

科學家把這種神秘的巨大存在,稱之為暗物質(透明物質/不可見物質)。

2011年天文學家發現離我們45億光年以外的MACS1206星系團,周圍存在大量的暗物質,具有超強的引力,整個空間都出現了變形現象。

又因為暗物質具有引力效應,同樣遵守廣義相對論推導的時空彎曲效應。

也就是說,暗物質團能夠造成時空彎曲,讓光線經過這部分時空時,會發生偏轉,就像光線在稜鏡中出現偏折現象一樣。這就是愛因斯坦早有預言、並在天文學界反覆觀測證實了的「引力透鏡效應」。

那麼,最最重要的問題,暗物質到底什麼?

說實話,不但我不知道,就算是最權威最前沿的物理學家也不是很清楚。目前比較主流的假設有兩種:

①大質量緻密暈天體

簡稱MACHO,簡單來說就是黑洞、褐矮星/黑矮星、別的不發光的天體,很多天體物理學家更傾向於用這種大質量緻密暈天體來解釋暗物質的存在。

②大質量弱相互作用重粒子

簡稱WIMP,有人直接稱之為暗物質粒子,這種粒子是大爆炸後殘留的,類似於中微子,但質量卻是質子的100倍。很多粒子物理學家更傾向於這個假設,用暗物質粒子來解釋什麼是暗物質。

尤其超弦理論學家認為,標準模型中的每個粒子都有一個體積更大的夥伴。其中,中微子所對應的更大夥伴,是最有可能組成暗物質的粒子。

總之,猜想的同時,科學家們一直都在想盡一切辦法,尋找傳說中的暗物質。

歐洲人利用全球最昂貴的超級撞球——歐洲大型強子對撞機,不停轟擊不停找;

美國人利用費米伽瑪射線太空望遠鏡、低溫暗物質搜尋計劃苦苦探尋;

中國利用一個名叫悟空的暗物質粒子探測器(DAMPE),透過探測高能宇宙射線,尋找暗物質粒子湮滅的間接證據。

悟空暗物質探測器,由中科院微小衛星創新研究院花費1億美元研製。

這就是說,悟空科學團隊試圖在尋找和證明第二種猜想——暗物質粒子的存在。

自從2015年底發射升空以來,已經探測了35億多個高能宇宙射線,從中搜尋出100多個異常電子信號。

這種神秘信號——就是《科學》《自然》等全球頂級學術期刊,最新公布的科學發現結果。

繞了一大圈,終於知道了悟空這次發現——潛在的重大意義了吧。

問題來了,就算真的碰上了暗物質,又有神馬意義呢?

這就像牛頓提出萬有引力時、愛因斯坦提出相對論時、達爾文提出自然選擇時、胡克發現細胞時、沃森+克里克發現DNA時、圖靈設計出圖靈機時……如果那時候追問他們到底有啥用???很可能他們也是一臉無奈。

科學的意義在於追求本身,科學技術的應用才是無法估量。

更何況,探尋暗物質就是在探尋宇宙的最大秘密之一。

如今就連宇宙間4%的普通物質與規律,人類都沒咋搞清楚,面對23%暗物質和73%暗能量的未知宇宙,說得狠點,人類對整個宇宙幾乎還是一無所知。

神奇的宇宙、神秘的暗物質——就在眼前,誰都無法阻擋人類最聰明大腦去探索去發現!因為背後擁有無限可能。


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