http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2010-03-24
作为现代理论物理前沿领域热点的“暗物质”，一直被认为远离地球，飘散在太阳系以外的某个无名角落里。但据美国“太空”网站近日报道，美国科学家发布的一项最新研究结果表明，神秘的暗物质可能就隐藏在地球上。这一有待证实的新发现让科学界为之一振。
暗物质是什么？连科学家们也不敢说自己很了解。不过我们知道，暗物质一旦被证实，将为物理界以及整个人类的认识掀开崭新的一页。
经过坚持不懈的观测工作，去年12月，美国科学家安装在明尼苏达州地下700米的暗物质探测器有了反应，该反应被认为极可能是“暗物质”引起的。相关论文近日发表在美国权威期刊《科学快报》上。
虽然自从被提出以来就神龙见首不见尾，但暗物质隐藏了许多现代物理学的秘密——宇宙的起源和组成、基本粒子的性质、时间的流逝等，涉及相对论、量子力学等物理学中最高深的理论，其重要性可想而知。因此这则消息一经发布，便引发了专业媒体甚至大众媒体井喷式的报道，美国《大众科学》杂志、《科学美国人》杂志、英国《新科学家》杂志、英国《卫报》和《每日邮报》等，都在显著位置进行了报道。
宇宙中仅5%是可见物质
在科幻作品中，经常可以看到暗物质这个词。尽管如此，暗物质却绝非出自某位科学幻想大师之手，而是有着确凿的根据。它是1934年瑞士天文学家弗里兹·兹威基在研究星系团中星系的轨道速度时，为了解决“缺失的物质”问题而提出的概念。
当时兹威基经过计算认为，星系的平均质量实际上比根据其亮度计算出的质量大160倍，这就意味着绝大多数物质是不可见的。
起初，兹威基的结论没引起重视，直到约40年后，人们在研究星系中恒星的运动时遇到类似的困难，暗物质的说法才逐渐获得认可。目前，天文学领域很多证据都支持暗物质存在的说法，包括引力透镜(光线在经过星体边缘时受引力场作用发生偏折的现象)研究和宇宙膨胀率。
说到暗物质，这里不得不提到它的“近亲”——暗能量。两者很容易混淆，一些非专业媒体在报道时，也很容易犯这样的错误。暗能量是人们在建立宇宙的膨胀模型中提出的假想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量，它很好地解释了已被哈勃望远镜证实的宇宙加速膨胀的现状。
与暗物质相比，暗能量在分布范围上广得多，占据着宇宙结构的绝大部分。根据美国国家航空航天局(NASA)公布的数据，暗能量约占宇宙结构的70%，暗物质约占25%，剩下的约5%是可见物质。
所谓信号只是“狼来了”？
这次发现是美国明尼苏达大学物理学与天文学院助理研究员安吉拉·莱瑟特与她所在的团队的收获，他们的实验数据源于一个深埋在地下的暗物质探测器——CDMS探测器。该探测器被埋在明尼苏达深达700米的地下，以周围的岩石、塑料、铅、铜等物质来阻止暗物质之外的正常微粒到达探测器，这样可能与暗物质相混淆的宇宙射线和其他粒子就被排除在外了。探测器本身不大，跟冰球相仿，主要由锗元素和硅元素构成。
探测器的构造是基于这样的原理：暗物质主要由“弱相互作用粒子”(WIMP)组成，这种粒子能和锗原子或硅原子发生核反应，产生的特定信号能被探测器捕捉到。一旦观测到信号，就可以确定有WIMP穿过探测器，即“暗物质来了”。研究人员已确认有两个信号可能与暗物质有关。对科学家们来说，此次实验尽管不能完全确定暗物质的存在，却在提高探测精度方面取得了可喜的进步。
需要指出的是，这并不是第一次有研究声称可能发现暗物质了。2007年，位于意大利首都罗马附近的巨石峰国家实验室曾发布消息，称探测到了WIMP，一时间引起轰动。但后来有多位学者对巨石峰国家实验室使用的DAMA探测器提出质疑，最终这一发现没有获得科学界认同。
从科学研究的严格性上讲，莱瑟特等人的这次发现也可能是“狼来了”。美国《大众科学》杂志分析说，即便是发现了信号，也绝不能马上断定暗物质存在。这主要是由于WIMP不是一种被了解得很清楚的粒子，而是一类粒子的总称，至今科学界对WIMP家族有多少种粒子、其物理性质都不甚清楚。另外，用WIMP作为暗物质存在的依据也不一定可靠，因为暗物质与硅或锗原子间的相互作用涉及一系列粒子和力，而WIMP只是其中一种。
科学家全力追循暗物质足迹
作为“光明”的反义词，“黑暗”一向不会给人带来愉快的联想，但恐怕“黑暗双塔”——暗物质和暗能量要颠覆这一思维定势了。莱瑟特等人的研究暗示，暗物质可能就在地球上，这意味着我们每天都在和这种神秘的物质打交道。而暗能量更是有过之而无不及，根据推算，暗能量弥漫在宇宙的每一个角落，看不见，摸不着，目前无法被探测到。
暗物质和暗能量这两种假想概念，支撑着人们在21世纪建立起来的众多理论——粒子模型、宇宙膨胀、宇宙辐射等。“了解暗物质和暗能量，是21世纪科学史的大挑战。”2008年10月12日，诺贝尔物理学奖获得者李政道教授在人民大会堂举行的“隆重纪念望远镜发明400周年——科学大师演讲会”上这样说。这两种假想被证实或是被否定，都将对物理学的未来产生深远影响。
到目前为止，“黑暗双塔”只统治着物质尺度的两极——动辄数亿光年的星系尺度以及小至百万分之一纳米(1纳米为十亿分之一米)的亚原子尺度。但这只是暂时的，我们在日常生活中不考虑这两种物质的存在，不仅是因为它们只在两极尺度产生显著的影响，还因为我们不了解它们。
科学家正全力以赴地追循暗物质的足迹。莱瑟特所在的研究小组打算将探测器升级到更灵敏的水平，以期发现更为实质性的暗物质信号。另一个可能在地球上找到暗物质的办法，是依靠高能粒子加速器，它可以将比原子还小的亚原子微粒加速到光速，再进行相互碰撞，这种极大的碰撞能量会产生异常粒子，其中包括暗物质。目前一些科学家将希望寄托在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)身上。作为有史以来最大的加速器，LHC有足够的能量去产生暗物质粒子。 (森堡)
[青年参考]
相关报道
美国科学家称暗物质或许就存在于地球之上
新浪科技讯 北京时间3月3日消息，据美国太空网报道，神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜，引起了科学家们的探索和争论。近日，美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出，暗物质或许就存在于地球之上。
暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上，科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线，也不反射任何光线，因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。自20世纪70年代以来，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测发现，常规物质不可能引起如此大的引力，因此暗物质的存在理论被广泛认同。
根据科学家们的理论，暗物质通常也不会与大多数常规物质结合。有的观点认为，暗物质能够直接穿越地球、房屋和人们的身体。一些科学家已经开始在地下寻找暗物质粒子存在的证据。
美国明尼苏达大学科学家安吉拉-雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示，“就在我们的周围，存在一种暗物质流。每时每刻都存在一种交互。”她是在近期举行的美国物理学会一次会议上发表这一理论的。
在最新一期《科学快讯》杂志上，雷塞特尔和同事们发表论文声称，他们最近发现了两起事件，这些事件可能就是由暗物质撞击探测器所引起的。雷塞特尔表示，“我们此前的探测结果从来没有如此发现，这是首次。”
“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此，矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备，除了暗物质。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中，它就会反弹并向探测器发送一个信号。
然而，研究人员也无法完全确定他们所探测到的两个信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的。这两个信号太少，因此科学家们也无法确定。据科学家介绍，他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。
地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器，这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子，其中包括暗物质粒子。
然而，即使采用最强大的粒子加速器，至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺表示，“你也许会问为什么会这样，为什么组成宇宙大部分的物质粒子为什么在我们的加速器中从来没有发现过。”原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。
科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示，“我们或许不知道这样一个事实，那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”
现在，最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身上。恩诺表示，“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子，并在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验项目组成员之一。(彬彬)
[新浪网]
美科学家宣称首次探测到暗物质粒子(图)
科学家们相信他们发现了暗物质粒子，他们通过一幅电脑效果图对此进行描述。图中，粉红色区域就是可能的“暗物质”。
新浪科技讯 北京时间2月15日消息，据英国《每日邮报》报道，神秘的暗物质一直令科学家感到迷惑不解，这种看不见的物质占宇宙质量的大约四分之三。不过，美国佛罗里达大学科学家近日宣称，他们已首次探测到暗物质粒子。
据研究人员介绍，在美国明尼苏达州北部的索丹铁矿中，位于地面之下2000英尺(约合610米)的高灵敏度探测仪近日捕捉到两个“暗物质粒子”的踪迹。科学家们认为，这次探测到的事物应该有四分之三的可能是暗物质粒子，而不是背景噪音。
暗物质是物理学中最神秘的事物之一，它的发现将可能成为近100年来最重大的科学突破。20世纪30年代，天文学家首次意识到，恒星、气体和尘埃只占宇宙质量的一部分。因此，他们得出结论认为，星系本来应该在宇宙中四处游荡并最终土崩瓦解的，除非它们受到某种巨大的、不可见的物质的重力吸引而被固定在一个位置上。
80多年来，科学家们一直争论究竟何为暗物质以及我们为什么看不到它，他们给出了许多种推测和解释，其中最有可能的一个候选物质就是一种被称为“弱相互作用大质量粒子”(Wimp)的微小事物。
在过去九年中，科学家们一直在利用明尼苏达州北部一个名为索丹的废弃铁矿来捕捉Wimp粒子的踪迹。实验动用了30台高灵敏度探测仪，并将温度降低至零下273.1摄氏度。在这种实验环境下，当Wimp粒子撞击一个普通的原子时，这些探测仪将能够捕捉到撞击事件，从而确定Wimp粒子的存在。实验环境之所以被设在如此深的地下铁矿之中，是因为Wimp粒子与其他来自太空的粒子不同，它们可以直接穿越厚厚的地层和岩石。
科学家们近日在《科学》杂志上发表论文称，他们发现了两个Wimp粒子的踪迹。不过他们也承认，要想确认所发现的确实是暗物质粒子，他们必须要继续发现更多这样的粒子。
美国佛罗里达大学科学家塔拉克-萨伯博士介绍说，“许多人相信我们是最接近发现暗物质的，事实上不仅仅是我们，其他实验也是如此。可以预见，在未来五年左右，有人将能够看到关于暗物质更为明显的迹象。”不过，萨伯博士也承认，目前的证据仍然不是足够充分。他说，“一两次实验并不够，次数太少了。”(彬彬)
[新浪网]