暗物质存在性的大探讨

文章作者:lili | 2016-12-17
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赵本山和小沈阳的小品中一个经典的桥段——赵本山问有菜没有,小沈阳开始迟疑了。到底有还是没有呢?今天我们来探讨暗物质,到底有还是没有呢?虽然我们认为它存在。不过反方观点也是有理有据。科学没有模棱两可,也许答案即将揭晓。我们先看看,悟空卫星在太空中遨游了一年的收获,再看看科学家认为暗物质不存在的理论支撑。然后对于这个问题,读者自己又是怎么看的?大家可以畅所欲言,各抒己见。

作为中国科学卫星系列的首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空整整一年。“悟空”身体健康吗?工作业绩怎么样?科学目标实现了多少?找到暗物质存在的证据了吗?第一批科学结果何时向全世界公布?

  猴年“猴赛雷”,年度考评获“双优”

  17日上午九点半,紫金山天文台暗物质卫星监控大厅中,一个三层高的暗物质卫星主题蛋糕吸引了大家的目光,一群科学家为平稳运行一年的暗物质卫星“悟空”开了一场“生日宴会”。

  庆生之际,这只太空“猴子”也获得了年度考评双优的佳绩。15日至16日在南京举行的“悟空”升空一周年学术年会上,所有参会的中外暗物质研究专家都给“悟空”的表现打了100分。

  ——“悟空”体检。4个有效载荷中,塑料闪烁体、BGO量能器、中子探测器都100%正常工作,硅径迹探测器99.85%正常工作,也大幅度优于原定的97.5%的指标。结论:100分。

  ——“悟空”工作业绩。在粒子的电荷测量、能量测量、方向测量、粒子鉴别等方面都取得了重要进展,全面实现或超过了设计指标。迄今已完成全天区覆盖两次,共探测有效事例18亿个。结论:等级“优秀”。

  “天性奔放的‘悟空’,上了天比在地上更‘精神’。”科学家们总结。

  中科院暗物质项目监理组给出的结论是:“我们从项目启动就从第三方视角对该工程进行监理。卫星工程取得了圆满成功,目前卫星在轨运行正常,有效载荷工作稳定,科学团队在紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进的带领下,以科学态度兢兢业业、踏实工作,希望再接再厉,争取在该领域取得突破。”

  “高分辨率的观测效果‘比预想更好’。”日内瓦大学教授吴欣说,“7万多路探测粒子信道目前工作正常,备用的器件都没有用上,设计寿命3年,期望运行5到10年。同时,收集到目标粒子越来越多,绘制的能谱越来越稳定,有望早日取得突破性发现。”

  意大利佩鲁贾大学博士乔万尼·安布罗西说:“‘悟空’是中国的首颗空间高能粒子探测卫星,也是中国的首颗空间科学卫星。我们很高兴看到它运行状况优异,且数据分析取得重要进展。”

  意大利萨兰托大学教授伊万·德米特里教授说:“‘悟空’已经顺利地运行一年,数据的质量很好。我们将继续努力,争取在宇宙线数据分析方面做出重要贡献。”

  而对于照料悟空“起居”的卫星监控团队来说,值班流程的不断简化,是小“猴子”健康成长的直接体现。

  “上天初期,每天两班人马轮番上阵,出现问题第一时间处理;如今,不正常的情况相当罕见,只要办公室有人在就可以代为查看。”暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健说。

  尽管如此,大家也不敢懈怠,仍在不断优化在轨标定的方案,以尽量短的时间实现对探测器各子探测器的可靠标定,并充分利用这些数据加快对物理事例重建软件的研发。

  前方高能!能谱、“天图”日益清晰

  “前方高能——”“悟空”几乎每天都太空中大喊。这是因为,超高能电子是“悟空”的主要“目标”。

  据统计,从其一年捕获的18亿个粒子中,5GEV到10TEV区间的高能电子数量已经达到100万个。“超高能电子”为何至关重要?因为它们可能来自于暗物质湮灭

  “挑出有用的电子好比在地球上寻找一种具有特征的人,目前看来,‘悟空’挑得稳准狠!”常进解释说,挑选的过程当然不轻松,“悟空”每天传送回来500万个粒子信息,其中只有0.1%是有用的电子,光子的数量还要少很多。因此,要想研究电子和光子的分布,必须剔除其中99%以上的质子等宇宙线核素的信息。

  高分辨率的观测效果“比预想更好”,除了体现在不断积累“超高能电子”,还体现在用一年时间完成的一张全天伽马射线图。这是国际上仅有的3幅GEV辐射天图之一。

  不仅如此,“悟空”的火眼金睛,还在18亿个粒子中发现了一些现有基本的物理知识“解释不了”的奇怪现象。

  暗物质卫星科学应用系统副总师范一中的责任是通过数据分析寻找能谱上的“怪异之处”。他告诉记者,科学家们利用“悟空”捕获粒子,从中筛选高能电子宇宙线的能谱数据。“惊喜就隐藏在这能谱的结构中,‘正常’的能谱结构一定是光滑的,如果发生了现有理论解释不了的能谱结构,那么至少是新的天文现象,也很可能就是暗物质的信号。”范一中说。

  “对比上天前的三大科学任务,可以负责任地说,‘悟空‘的表现超出预期,正在打开物理新窗口的道路上稳步前进!”常进说,我们需要的是时间,需要数据的积累。现在的数据在以1天数百颗光子的速度累积。

  驱散“乌云”,“悟空”的使命

  暗物质和暗能量,被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。然而为什么有暗物质,什么形态,何种规律,人类仍然知之甚少。

  毫无疑问,科学家寻找暗物质的征程绝不平坦,甚至不排除无功而返的可能性。

  12月9日,由诺贝尔奖获奖者丁肇中领导的阿尔法磁谱仪(AMS)发布了5年的最新实验成果。丁肇中解释说,目前测量到的基本粒子数据与暗物质碰撞产生基本粒子的理论相符合,即目前所测量到的现象与人们对暗物质的预测是吻合的,但也不能排除特殊天体物理过程。但是,现在还不能肯定已经找到暗物质,还需要进一步积累数据。

  而在今年7月,我国锦屏地下实验室PANDAX(熊猫计划)也宣布,在3.3万公斤/天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹。从乐观的角度来看,该计划对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。

  目前,世界上有数十项实验通过直接或间接的方法探测暗物质粒子。随着灵敏度逐渐提升,暗物质粒子的剩余参数空间越来越小。而对比AMS与PAN-DAX等一大批探测手段,“悟空”具有3个世界之最的先天优势:最高的能量分辨本领、最宽的观测能段、最强的高能粒子鉴别本领,因此有望在暗物质间接探测中取得重要成果。

  “‘悟空’上天一年,已经探测了18亿个粒子,高能TEV以上一年的观测数据相当于AMS的5到10年的数据总量。”常进说。

  神秘物质占据了宇宙总质量的绝大部分,人类却看不见。功夫最好的“悟空”能否彻底拨开现代物理学头顶的乌云,让人类真正了解肉眼之外,自己所处的真实世界?

  “我们的最新成果将在2017年初正式公布。”常进说。

那么有科学家称,暗物质可能根本不存在。他们又是如何推理的呢?

  

科学界认为,揭开暗物质之谜,将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后,人们认识自然规律的又一次重大飞跃。它可能让人类更加深刻认识,甚至颠覆人类对基本的物质构成的规律。

虽然广义相对论称,一个像太阳一样的强引力源会扭曲空间,而且遥远物体散发的光线会被弯曲并得到放大,但是星系和星体团等非常大的物体理论上会让引力透镜变强。而且广义相对论无法完全解答星系和它们的恒星为何做出旋转运动。

这也导致大多数物理学家认为宇宙80%的质量是暗物质构成。这种隐形的物质或许是由难以探测的微粒构成,也或许是是由无数的微型黑洞构成。但是这两种猜测我们尚未找到任何确凿的证据。

然而阿姆斯特丹大学的Erik Verlinde提出一项有争议的理论称,暗物质或许并非物质。而且他声称自己的理论在解答他们所研究的3.3万多个星系的行为方面也非常有效。

该研究的负责人,物理学家Margot Brouwer在谈及这项研究时称:“这并不意味着我们能够完全排除暗物质,因为还有许多观测结果是Verlinde的理论无法解答的。但是这项研究却是非常令人激动而且是带给我们希望的第一步。”

Verlinde的熵力理论最早是由《纽约时报》在2010年发表的。然而他却耗费了6年时间才将他的想法进一步转变成为一项可测试的研究。熵力理论来源于量子力学非常狭窄的一面,它声称熵力事实上是一种隐藏的引力,更像空间构造的一种天然副作用。你可以把它视作时空“激烈竞争”的产物。

一方面,物质局部扭曲了空间构造。另一方面,一种强大而神秘的自然力——暗能量,正在加速将空间和宇宙边缘向各个方位扩张。Verlinde提出,空间构造拥有一种弹性记忆效应,因为空间中的可见物质会对扩张产生抗拒。这种抗拒作用就会产生他所提出的暗引力。

《纽约时报》在2010年报道称:“许多世界上最著名的物理学家都声称无法理解Verlinde博士的论文,而且许多都持有怀疑态度。”但是Brouwer带领的天文学家团队通过一项极限测试对Verlinde的问题进行了验证。Brouwer和他的同事们通过研究大约33613个星系周围的扭曲空间对熵力进行了测试。他们特别观察了星系所引发的引力透镜,以及它们后侧的背景物体如何被扭曲。

Brouwer声称:“这些扭曲的图像让我们重现了前景星系周围的引力。通常我们通过假定每个星系都有一个一定质量的暗物质云来解答这种引力,这一次我们将数据与Erik Verlinde提出的新理论进行了对比。Verlinde的理论能够解答引力的分配,而且不需要任何自由参数或者隐形粒子,也就是说不需要暗物质的存在”

其他22位研究论文的作者谨慎的指出,暗物质还不是一个完美的理论。他们声称:“尽管熵力的特性是值得注意的,但这项研究也只是我们迈出的第一步。在熵力理论成为完整而且经得起测试的理论之前,我们还需要进一步完善理论框架并进行观测验证。”

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