暗物质探测卫星今升空
发布时间:2015-12-17
出品:科普中国
制作:寒木钓萌
监制:中国科学院计算机网络信息中心
  科学家们深信,有一种神秘的物质,它们就像幽灵一样弥漫在我们每个人周围,它可以轻易穿过每个人的身体而又不被人察觉,在几千米深的地下,各国的科学家们已经在试图捉住它。谁能第一个发现这种 “幽灵”,必将被载入史册。
  它已经处在被发现的边缘,时间紧迫,各国的科学团队都在争先恐后!我国也不例外,就在今天,2015年12月17日,我国的一颗重要卫星已经升天,而目的,就是为了抓住你身边的幽灵,它也是宇宙的幽灵,你猜错了,它不是中微子,而是暗物质!
  来自网友们的神评论
  在科学界,科学家们早已承认了暗物质的存在,然而,普通大众却并非如此。如果您曾经对暗物质感兴趣,并去看相关文章,就会看到,网友们对暗物质的评论可谓是五花八门,甚是精彩:
  也许要用中国的阴和阳才能解释暗物质;
  以前说有以太,后来说以太不存在,现在又说有暗物质,不就是以太换个名字么?
  暗物质会不会是更高维度世界的某种能量对我们四维世界的影响?
  暗物质就是人死后的灵魂……
  …………
  以上网友们的评论代表了很多人的观点,更有人认为,暗物质就是科学家们对一些理论无法自圆其说后,拼凑出来的东西!
  没错!我们确实无法对一些理论“自圆其说”了,哪些理论呢?比如牛顿的万有引力,爱因斯坦的广义相对论等等。
  万有引力也出问题了?!
  是的!来,咱们一起看看,到底出了啥问题。


开普勒第二定律示意图

  开普勒第二定律告诉我们,行星围绕中央恒星公转时,在相同的时间内,恒星和行星的连线所扫过的面积都是相等的。这不难理解,行星距离恒星远时,轨道速度慢,而距离恒星近时,轨道速度快,因为此时两者的引力因为距离变近而增大,如果轨道速度不增加,那么离心力也不会增加,结果就是,行星会冲向恒星的怀抱,变成一团气体。


太阳系各大行星的轨道速度示意图

  在太阳系内,距离太阳越近的行星,轨道速度越大,可以这样去理解:距离越靠近,引力就越大,如果轨道速度不大的话,就会被太阳吸进肚子里。

  设想一下,如果咱们地球具有水星的轨道速度会怎样?
  回答:当然会飞出去,远离地球轨道!这类似于一滴水从旋转的雨伞上飞出去。
  同理,如果水星具有地球的速度呢?那么它无疑将被太阳吞没。
  现在,问题来了。
  如果既要地球具有水星的速度,又要地球保持在如今这温暖如春的轨道上,该怎么办?
  回答:增加地球质量!
  地球质量变大,它跟太阳的万有引力就增强,这增加的引力才能抵抗因速度增加而带来的离心力。
  咦,这万有引力不是在太阳系工作得好好的吗?瞧你这一惊一乍!
  是哦,好像真没出什么问题呢,非常抱歉!要不,咱们冲出太阳系,到银河系外逛逛?

  图为银河系,起初,天文学家们认为银河系属于旋涡星系。后来,2005年时,通过斯皮策空间望远镜证实:银河系属于棒旋星系。
  银河系就是一个旋转的大盘子,如上图,可以看见,银河系中心部分最亮,因为那里的恒星多如恒河沙,换言之,银河系的大部分质量集中在中央部分。
  根据开普勒定律和牛顿定律,咱们就算不用去测量,推也能推算出,银河系中央部分旋转速度最快,而距离银心越远,旋转速度就越慢。很简单,只要把银河系的中央部分当成是太阳,把银河系的旋臂当成是行星就可以啦。
  拉普拉斯被誉为法国的牛顿,他在天体力学和统计学上有着杰出的贡献。有一次,拿破仑看完拉普拉斯写的巨著《天体力学》后,问拉普拉斯:为何在你的书中一句也不提上帝?
  拉普拉斯说:“陛下,我不需要那个假设。”
  是的,天体应该怎么运动,我们并不需要上帝来插手,有牛顿即可。
  所以,根据人类的现有知识,银河系应该是这样运动的。


理论上银河系如这般运动。

  然而呢?观测的事实却让人大跌眼镜。
  现实中银河系是这般运动。

  看出来了吗?咱们放在一起对比看看。


左为理论中运转状态,右为现实中的运转状态

  大量观测表明,银河系的旋臂并没有因为距离银心远而速度有所减慢!
  这是怎么回事?这不就类似于,虽然地球拥有水星的速度,却又没有被甩出轨道一样?
  怎么解释?只有两种可能:
  要么,牛顿和爱因斯坦错了,现有的物理学有问题,而且是大问题!(这想一想就让人很兴奋呢,科学从不怕错,就怕迟迟没有发现错。)
  要么,银河系外围的旋臂周围,有大量的不发光物质,也就是暗物质。暗物质的质量很大,它增加了跟银心的引力。这类似于上文咱们说的,要想地球拥有水星的轨道速度却又不被甩出轨道,办法是增加地球的质量。
  七八十年了,真的,人们一直想找出牛顿和爱因斯坦他们的理论中到底哪里出问题了,但是非常可惜,一直没找到。
  没找到不代表没有!也许1千年后,人们就能发现万有引力理论中的错误了!
  但是,既然你舍得花这1千年,为什么就不花几十年去研究一下另一种可能呢——暗物质。
  正如福尔摩斯的名言:排除一切不可能的,剩下的即使再不可能,那也必定是真相。
  这就是为什么,科学家们深信:宇宙中有暗物质。
  其实,说真的,科学家们压根才不希望有暗物质这个家伙,但他们走投无路了你知道吗!

  根据数十年的观测和各种方式的计算得出,咱们平常所见到的由原子构成的物质不到5%。
  放眼太空,漫天星辰,我们以为看到了宇宙的绝大部分实体,然而滑稽的是,无论我们用多么先进的望远镜,也无论我们仰望星空多久,我们所能看到的,原来连宇宙那冰山一角都不到。这实在是太让人惊奇了!
  暗物质是什么?
  谁要是知道暗物质是什么,那就算颁给他10个诺贝尔物理学奖也是非常合算的。但是没有人知道它到底是什么。科学家们只能根据种种观测的事实和现有理论去推测暗物质的一些性质。
  伸手不见五指的夜,我们看不见黑暗中的人,但是用一般的红外夜视仪就能看到。而暗物质因为不发出任何电磁波,故用任何仪器也看不到它。不发出电磁波也就算了,它也不吸收,并且也不反射电磁波。这就麻烦了,也就是说,目前我们甭想观测到它。
  那能触摸到它们吗?也不能,不少科学家认为,暗物质其实就在我们的身边,它们的速度很快,比步枪的子弹速度还要快几百倍,它们能轻易穿过我们的身体而我们却毫无察觉。
  这这这……怎么弄?这种如幽灵一样的家伙,它到底有什么?!
  报告:它有质量,参与引力的作用!
  打个比方,小明每天走进卧室的时候,都会感觉到有什么东西在摸他一下,但是呢,小明又看不到、摸不到逮不到这个东西,你说你说,小明该有多抓狂?!
  是的,科学家们现在也很抓狂,他们说,现代物理学的天空有两大朵乌云,一个是暗物质,一个是暗能量!
  又来了,乌云可不要太多噢。20世纪初,开尔文勋爵就说物理学的天空飘着两朵乌云,现在又来了。
  但是!
  诸位,你们不觉得这很幸运吗?没有乌云,怎有拨云见日?
  20世纪初的乌云已烟消云散,只留下满天的光辉——相对论和量子力学的诞生。这两大学科深深地影响了我们生活的方方面面,就连你手机上的导航,那也是相对论和量子力学的小小运用之一。
  百年前的乌云我们难以感受其精彩和惊心动魄,因为那时我们都还没出生,而感受到了的,曾经处在浪潮之巅的那些人,他们已然成为伟人,被后人一遍又一遍述说。
  现在,此刻的这两朵乌云,目前还只有各国正在研究暗物质的那些科学团队最能体会。他们已隐隐地感到,暗物质已经处在被发现的边缘。
  我国暗物质探测卫星
  既然暗物质如此神出鬼没,我国的探测卫星又怎么能捕捉到它呢?答案是,探测卫星并不能捕捉到它。
  而是,科学家们根据现有理论推测,暗物质可能是一种叫做“大质量弱相互作用粒子”的粒子,简称WIMP。虽然暗物质有很多候选者,但目前WIMP是暗物质最有希望的候选者。绝大多数粒子都有反粒子,就像质子、电子的反粒子分别是反质子、反电子。
  科学家们认为WIMP也有反粒子,当WIMP与它的反粒子发生湮灭时,或者自身发生衰变时就会放出大量能量,而这些能量多以伽马射线、反质子和正电子释放出来。我国的探测卫星恰好就能探测到这些高能电子和伽马射线,其探测能力超越其他国家已经发射了的暗物质探测卫星。
  虽然宇宙深处很多天体也会释放伽马射线,比如脉冲星,但是,可以通过技术和观测的手段把这些不同能量的伽马射线排除掉。假如能捕捉到前所未见的伽马射线和高能电子,那么,就有极大的可能是暗物质释放出来的,从而也就间接地探测到了暗物质。


图为我国暗物质探测卫星

  这是一种幸运
  诺贝尔物理学奖获得者李政道曾认为, 对暗物质的研究将预示着物理学又一次翻天覆地的革命。而很多前沿科学家,他们的内心其实早有预感:今天物理学面临的状况与19世纪末、20世纪初诞生相对论和量子力学时非常类似。

图为中国四川美丽的锦屏镇,在这里有一个地下暗物质探测实验室。


中国锦屏极深地下暗物质实验室深2400米。

  也许可以用幸运来形容,假设暗物质的质量只占宇宙总质量的万分之一,远远少于普通物质,那么,暗物质虽然会产生引力,但是极小,带来的后果就是,人类得等几百年,甚至上千年后才能察觉到有暗物质这种东西存在。
  在宇宙中,暗物质的质量比我们所能见到的普通物质要大好多倍,这让我们得以轻易觉察到它们的存在,对于人类来说,或者对于我们这一代人来说,又何尝不是一种幸运?
  暗物质对于现代人,就好似电磁波对于千年前的古人,不同的是,古人不知有电磁波,而我们,已在上天入地寻找暗物质。

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