人類宇宙觀即將到來的再次顛覆——科學界「暗物質」探尋始末

2020-12-08 前瞻網

（圖片來源於Mashable）

在義大利，一支科學考察隊伍正在義大利的山裡組裝一臺儀器。與此同時，在美國南達科他州黑山的一座廢棄金礦下面，另一支科學團隊在做著同樣的事情。同在黑暗籠罩的地方，他們也有著同一個目標——捕捉到一絲微弱的亮光和自由電子，以證明暗物質的存在。

雖然至今為止，尚未有實例證明暗物質的存在，但不少科學家仍然相信，它比「普通」物質要豐富得多。在這些科學家看來，由原子構成、組成了物質世界的「重子物質」，只佔宇宙的不到5%，暗物質佔25%，剩下的則是暗能量——一種可以排斥重力神秘的力量。部分理論證明，暗能量是宇宙加速膨脹的原因。

或許很多人有疑問，找到暗物質又有什麼用呢?確認暗物質的存在，將改變我們對宇宙基本構造的理解，並提供宇宙如何誕生和如何變化的重要線索。

正因如此，在羅馬以南75英裡處的格蘭薩索山脈下，出現了世界上最大的地下實驗室，實驗室內，暗物質探測器「暗面-20k」正在建造。為此，大量科學家和工程師齊聚此地。休斯頓大學助理教授倫肖(Andrew Renshaw)稱，在小城裡，隨便進入一家咖啡館，都可能偶遇一位科學家。

向西橫跨小半個地球，在南達科他州距離拉什莫爾山約1小時車程的地方，名為LUX-ZEPLIN(LZ)的暗物質探測器同樣在桑福德地下研究中建造著。研究人員需要搭乘籠子一樣的簡陋電梯，沿著礦井進入實驗室。安全帽是必備的，除此之外，他們還要隨身攜帶「自救器」呼吸裝置，以防發生火災。

研究人員之一的馬裡蘭大學物理學副教授、LZ項目發言人霍爾(Carter Hall)表示：「暗物質存在是十拿九穩的，我對此毫不懷疑。」

然而，專業人員的信心，絲毫無法緩解民眾一個最主要的疑惑：既然我們從未探測到暗物質粒子，那麼為什麼你們如此確定它們的存在?

這個問題要從牛頓說起。牛頓提出，引力是物體間的作用力。利用他的公式，科學家繪製出了地球和月球的軌道。但是，隨著人類的視野擴展，科學家們發現，當黑洞之類的因素出現後，牛頓的公式失效了。之後，愛因斯坦出現了。在他的廣義相對論中，引力不是一種力，而是空間和時間的固有屬性，可以被質量大的物體扭曲。

相對論解決了當時的問題，並在很長一段時間內在物理學界暢通無阻。直到20世紀70年代，天體物理學家魯賓(Vera Rubin)發現，螺旋星系邊緣的恆星與靠近星系中心的恆星以同樣的速度運動時，相對論也失效了。

在較小的宇宙空間中，比如太陽系中，引力是如何作用的?可以看到，太陽系的第1顆行星水星繞太陽公轉的速度，比第八顆行星海王星要快得多，照此推論，環繞星系中心的恆星同樣應該如此。

既然星系邊緣的恆星與靠近中心的恆星以同樣的速度運動，那麼必然有一種看不見的物質，為其提供了另外的力。這就是科學家們始終相信暗物質存在的原因。

更讓科學界振奮的是，因為新方法的應用，人類可能要改寫一直無法探尋到暗物質的歷史。據悉，「暗面-20k」將使用液態氬，LZ將使用液態氙作為試驗材料。它們的方法在原理上是一致的：等待暗物質粒子撞擊相應物質原子核。氬和氙都是十分穩定的元素，在專門費力建造的研究室中，只有暗物質有引起其反應的可能。

2臺探測器都配備了專門的傳感器，用來捕捉暗物質粒子與原子碰撞時產生的光和釋放的電子。

霍爾介紹說：「你可以把原子核想像成一個撞球，然後想像它突然被撞到了。雖然我們看不到撞到它的東西，但是我們可以看到撞球的反衝。」

為了等到那一刻，全球科學界已經連續數十年投入重金。「暗面-20k」和LZ都已經分別是相關項目的第2代儀器。與此同時，我國也發射了自己「悟空」號暗物質粒子探測衛星，和國際空間站上的阿爾法磁譜儀一起，在太空中尋找暗物質的跡象。它們都是為了尋找弱相互作用大質量粒子(WIMPS)而設計的，這種理論粒子比普通物質的粒子要大得多、重得多。

華盛頓大學的Axion暗物質實驗器(ADMX)則另闢蹊徑，尋找起了另一種可能的暗物質——低質量軸子。

儘管多年來，新聞界在相關問題上常常出現誇張的標題，但迄今為止，科學界的大量暗物質實驗——包括ArDM、DEAP、達爾文(DARWIN)、XMASS和畢卡索(PICASSO)——都空手而歸了。一些物理學家認為它根本不存在，有人則提出了替代的引力模型。

事實上，科學界也無法否認「暗物質根本不存在」的觀點。因為，「腦補」出某種物質來解決問題，在人類科學史上並非第一次了。最經典的例子是「以太」學說在18世紀的流行，當時的許多科學家，光波在宇宙中穿梭需要承載物質，「以太」就是這種物質。隨著科學發展，「以太」學說最終被推翻。

當然，我們的工具和物理和天文學知識現在要先進得多。但仍有可能我們對暗物質知之甚少，我們正在以完全錯誤的方式尋找它。

比如，就算我們建造出了比以前更大、更先進的儀器，也不一定能得出成果。科學家將「暗面-20k」和LZ建在地下，就是為了避免宇宙射線等外物對其造成衝擊，然而，即使在堅硬的巖石下，氡和自由中子也幾乎到處都是，難免對試驗造成幹擾。

科學家們的應對辦法是，將LZ封裝在一個完全阻塞自由中子的探測器中，「暗面-20k」則配備了低輻射的新型光敏傳感器。

此外，另一個可能提高試驗成功率的方法是增加儀器尺寸，因為儀器裡的試驗物質越多，和暗物質隨機碰撞的可能性越大。「暗面-20k」較上一代「暗面-50」大10倍，這讓它能容納400倍的氬。LZ的氙含量是LUX的25倍。

現在已經到了暴風雨前的寧靜時期。很快，儀器的建造速度將會加快，來自世界各地的研究人員也將集中飛往義大利和南達科他州。

本文來源前瞻網，轉載請註明來源。本文內容僅代表作者個人觀點，本站只提供參考並不構成任何投資及應用建議。（若存在內容、版權或其它問題，請聯繫：service@qianzhan.com）　品牌合作與廣告投放請聯繫：0755-33015062 或 hezuo@qianzhan.com

相關焦點

  • 科學界三大謎團,每一個都有可能顛覆人類的認知,讓人類文明飛躍
    它們每一個都有可能顛覆的認知，讓人類文明飛躍。一、黑洞的奧秘，對於黑洞相信大家不會陌生，它是愛因斯坦相對論之下的一個猜想，後來科學家通過大量的觀測數據，確定了黑洞的存在。尤其是在去年，科學家更是公布了人類首張黑洞照片，通過這張照片，我們不用再懷疑黑洞的存在。那麼黑洞到底是什麼？
  • 未來引擎:利用暗物質燃料實現星際旅行?
    作為一種神秘的物質，暗物質（Dark Matter）被科學界認定為宇宙中大部分物質的緣起。 在這個巨大的設備內部，一個鈦容器中包含著液態氙，其質量達到了三分之一噸。在該裝置中，一組靈敏的光探測器正在伺機而動，等待暗物質粒子與氙原子碰撞並發出微弱閃光的瞬間。
  • 科學家疑似找到答案,或將顛覆人類宇宙觀
    科學家疑似找到答案，或將顛覆人類宇宙觀我們所生存的這個世界存在著許許多多的未解之謎，就比如我們都知道宇宙無比浩瀚，我們所生存的地球在它的眼裡都是微乎其微，它可以說是沒有邊際，存在的時間都是我們人類無法預測的，所以我們更加探究不到它的起源在哪。
  • 暗物質、暗能量和量子糾纏顛覆我們的認識
    暗物質、暗能量和量子糾纏顛覆我們的認識暗物質，看不見摸不著的物質，完全不同於我們已知的一切可見物質，佔宇宙物質的85%，可見物質的5倍。暗能量，驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射、輻射，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。量子糾纏，二個沒有任何關係的量子，會在不同位置出現完全相關的相同表現。如相隔很遠的二個量子，一個出現狀態變化，另一個在相同的時間出現相同的變化，而且不是巧合。暗物質、暗能量和量子糾纏顛覆我們的認識。
  • 暗物質研究的最新進展 中國「悟空號」或能揭開一部分謎團
    有研究人員稱，其所含暗物質數量是普通物質的萬倍——99.99%是暗物質，與其同類星系大相逕庭，因此，其形成無法用現有模型解釋。但一個國際研究團隊在最新一期《皇家天文學會月報》上撰文指出，他們的新研究表明，該星系所含暗物質僅為普通物質的300倍，與同類相差不大，現有模型就可以闡述其形成，顛覆了此前的觀點。
  • 科學家發現一個無暗物質星系 或顛覆暗物質定義
    研究負責人表示，這種現象雖然不能顛覆科學家對星系形成的理解，但完全可以改變天體物理學家對暗物質的定義。迄今為止物理學家還不太了解暗物質。對於暗物質是由什麼組成的、單一粒子有多重，或者說暗物質是如何形成的，物理學界尚無定論。也沒有人能夠在地球上捕捉到暗物質粒子。但是經過30多年的天文觀測，大多數研究人員都認同的事實是：宇宙中有很多暗物質。
  • 陳玲玲:人類基因組「暗物質」的解碼人_新聞頻道_央視網(cctv.com)
    央視網消息：正如宇宙中存在著人類知之甚少的暗物質，在生命體這個「小宇宙」中，也存在著這樣的「暗物質」——非編碼RNA（核糖核酸），已經有越來越多的證據表明，一些重大疾病與非編碼RNA調控失衡相關。
  • 科學家的回答顛覆人類認知
    浩瀚的宇宙給我們人類帶來了很多神秘感，於是人類開始不斷的探索和研究宇宙，隨著人類對宇宙的認識越來越多，我們越感到人類是多麼的渺小，不得不敬畏宇宙。要問人類對宇宙最感興趣的可能就是宇宙的起源了，宇宙是如何來的？
  • 宇宙暗物質和暗能量的發現,人類物理學新紀元的開端
    在宇宙學界、天文學界和物理學界，暗物質和暗能量被認為是籠罩在21世紀物理學上的兩朵「烏雲」，被科學家們號稱為「世紀之謎」。美國科學家在一份報告中列出21世紀要解答的11個科學問題,「什麼是暗物質」被列在第一位。科學界公認,揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之後的又一次重大飛躍,將帶來物理學的又一次革命。
  • 宇宙中的暗物質到底是什麼？大發現顛覆人類的認知
    暗物質幾乎佔宇宙重量的85%，這意味著它是我們所熟悉的組成恆星、行星、人類和其他一切的「普通物質」的6倍。但是沒有人確切知道暗物質是什麼。這種神秘的存在是不發光的，它是極其困難的研究。學者們只能通過暗物質對天體的引力作用來揭示其存在。
  • 在地底尋覓「宇宙幽靈」——走近全球最深的暗物質探測實驗室
    這些奇幻創作的科學依據就來自人類久尋不得的「暗物質」。全球最深的暗物質探測實驗室——中國錦屏地下實驗室，地處四川南部地底深處，在那裡，一批中國科學家正尋找目前還是理論存在的暗物質，希望覓得被科學界稱為「宇宙幽靈」的蛛絲馬跡。　　全國科普日到來之際，新華社記者來到錦屏地下實驗室，帶你了解中國的暗物質研究。
  • 暗物質衛星上天 揭秘暗物質是什麼?怎麼存在的?
    「悟空」是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星，超過國際上所有同類探測器。它將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務，探尋暗物質存在的證據，研究暗物質特性與空間分布規律。佔宇宙95％以上的暗物質和暗能量由萬有引力定律證實存在，卻從未被直接觀測到。暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域。
  • 科學家從特殊星系中發現暗物質的線索，沒暗物質的星系是什麼樣？
    科學界把宇宙中的物質分為能直接看到的和不能直接看到的，並且認為不能直接看到的物質佔據了宇宙總質量的90%，那些炫麗的星系、星雲等物質只佔據了全宇宙的10%左右，科學家認為宇宙中的大多數星系是受到暗物質的影響維持運行的，然而近幾年天文觀測中發現了幾個完全不受暗物質影響的星系，這些星系顛覆了暗物質在宇宙中的地位，其中典型就是NGC 1052-DF2星系這類奇怪的超漫射星系
  • 「悟空」巡天，有望揭開暗物質神秘面紗
    基於悟空號目前優異的工作狀態，有望於2021年1月再次延壽運行。」團隊負責人之一、範一中研究員告訴科技日報記者。美猴王的「水晶棒」將撥開暗物質「烏雲」2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛星發射中心用長徵二號丁運載火箭成功將中國科學衛星系列首發星——暗物質粒子探測衛星「悟空」發射升空。
  • 宇宙中的神秘暗物質到底是什麼?大發現顛覆人類的認知
    暗物質幾乎佔宇宙重量的85%，這意味著它是我們所熟悉的組成恆星、行星、人類和其他一切的「普通物質」的6倍。但是沒有人確切知道暗物質是什麼。這種神秘的存在是不發光的，它是極其困難的研究。學者們只能通過暗物質對天體的引力作用來揭示其存在。
  • 超導體之迷已被解開,人類由地球文明轉向星際文明的大幕即將開啟
    一場推動人類社會由地球文明走向星際文明的宏偉大幕即將開啟！宇宙是怎麼產生的？為什麼所有星系都呈『盤狀』？星球真的是由看不見的引力在吸引嗎？質量的本質是什麼？什麼是能量？地球的重力是怎麼產生的？如何才能實現反重力懸浮？我們在宇宙中處於什麼位置？我們的宇宙之外還有沒有其他的平行宇宙？人類來自哪裡？生命在宇宙中是普遍存在的現象，還是偶然現象，我們孤獨嗎？我們能不能實現超光速旅行？……。
  • 暗物質是科學界的一個難題,有五大未解之謎,這些秘密你知道多少
    宇宙之中除了能夠用人類肉眼看到的物質以外，還有一種暗物質的存在，隨著科學家不斷的研究，暗物質的秘密不但沒用減少，反而越來越多。很多科學愛好者十分熱衷於研究暗物質的一些秘密，今天美女小倩給大家盤點一下，至今最大的五個暗物質之謎。
  • 「悟空」巡天 有望揭開暗物質神秘面紗
    常進說，「它有望深刻地改變人類的宇宙觀，實現空間科學重大突破。」　　「悟空」的使命是尋找宇宙暗物質。科學家推測，宇宙中95%以上是暗物質和暗能量，其中暗物質佔26.8%。暗物質不發光、不發出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學或電磁波觀測設備直接「看」到。
  • 暗物質是什麼?人類為什麼費盡心思要研究它
    ，所以直到現在人類也沒有真正觀測到它，不識它的真面目。雖然不識他的真面目，但人類已經多次和他打交道，人類存在很多的實驗證據，如星系旋轉曲線與彌散速度分布研究中，大部分星系和星團的物質分布都與觀測到的可見物質的分布不符，可見物質的質量僅佔星系和星團總質量的較小部分。
  • 暗物質在人類世界消失的原因
    無線電波的發現，正是他基於『以太理論』發展出來的，但是人類世界認可了他基於這一理論發展出來的產品，卻傲慢的否定了他的理論基礎，這是何等的荒唐！其實，只要承認暗物質的存在，目前的很多不解之迷都能得到很好的解釋；只要承認暗物質的存在並加以研究，人類科技很快就會迎來更大的進展。為什麼不承認？因為『人類心目中的權威『麥可遜-莫雷』一百年前就已經否定它了！