中國(guó)科學(xué)家在暗物質(zhì)研究上逐漸走到了舞臺(tái)中央

　　悟空號(hào)“取經(jīng)”記

悟空號(hào)衛(wèi)星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜(紅色數(shù)據(jù)點(diǎn))，以及和美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果(藍(lán)點(diǎn))、丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀的測(cè)量結(jié)果(綠點(diǎn))的比較。

　　著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：在科學(xué)探索中，聽(tīng)到最激動(dòng)人心的話，不是“尤里卡，我找到了”，而是“嗯……這挺奇怪！”恰是在最重要的新發(fā)現(xiàn)之前所出現(xiàn)的那一句。

　　眼下悟空號(hào)的“取經(jīng)”之旅，似乎就是這樣。

　　截至目前，包括科學(xué)家在內(nèi)的人類，尚未搞清楚悟空號(hào)帶回的首批成果究竟代表著什么，我們唯一知道的是：這些結(jié)果是“出乎意料之外的”，是“人類此前從未看到過(guò)的”。而在自然科研中國(guó)區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致看來(lái)，就意味著“它們有潛力改變我們看待宇宙的方式！”

　　兩年前，同樣是在一個(gè)冬天，作為我國(guó)第一顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，悟空號(hào)成功飛天，踏上了 “取經(jīng)”之路。如今科學(xué)家發(fā)布的，正是它在太空遨游530天的結(jié)果，按照3年的設(shè)計(jì)壽命，悟空號(hào)的太空之旅已經(jīng)過(guò)半。留給悟空號(hào)的時(shí)間不多了，人類的腳步可能需要更快些。

悟空號(hào)衛(wèi)星示意圖。中科院供圖

　　530天：中國(guó)科學(xué)家逐漸走到舞臺(tái)中央

　　多年前，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)“恒星圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的速度太快”時(shí)，不得不設(shè)想——在銀河系中除了可見(jiàn)物質(zhì)，可能還有其他看不見(jiàn)的物質(zhì)，它們合在一起的引力拉著這些恒星，使其不至于由于速度過(guò)高而飛離銀河系。

　　人類為此所做的計(jì)算表明，這些“看不見(jiàn)的物質(zhì)”總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)“看得見(jiàn)的物質(zhì)”。于是，前者就被暫時(shí)稱為暗物質(zhì)。

　　用空間科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮、中科院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季的話說(shuō)，暗物質(zhì)之所以被稱為“暗”，是因?yàn)槿祟悓?duì)它——這個(gè)比我們?nèi)庋勰軌蚩匆?jiàn)的物質(zhì)還要多4倍的神秘物質(zhì)知之甚少，目前還只能通過(guò)引力作用進(jìn)行推算。

　　揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎，因此被認(rèn)為是繼日心說(shuō)、萬(wàn)有引力定律、相對(duì)論及量子力學(xué)之后，基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的又一次重大飛躍——其重要性以及難度之大可見(jiàn)一斑。

　　目前，人類“捕捉”暗物質(zhì)主要有3種方法，可以形象地稱之為“上天、入地、對(duì)撞機(jī)”。這其中“上天”是間接探測(cè)方法，即“捕捉”暗物質(zhì)互相湮滅時(shí)產(chǎn)生的痕跡。

　　暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)說(shuō)，盡管暗物質(zhì)不會(huì)發(fā)光、也不與光作用，普通光學(xué)觀測(cè)也無(wú)法發(fā)現(xiàn)，不過(guò)當(dāng)一對(duì)暗物質(zhì)粒子偶然正碰的時(shí)候，會(huì)同時(shí)湮滅，可能會(huì)放出質(zhì)子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。

　　換言之，如果能夠精確測(cè)量到這些粒子的能譜，就可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。

　　目前，“上天”的暗物質(zhì)獵手中有3個(gè)較為知名，一個(gè)是安裝在國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀2號(hào)，一個(gè)是美國(guó)宇航局的費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)就是中國(guó)的悟空號(hào)，而相比之下，悟空號(hào)是迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，超過(guò)國(guó)際上所有同類探測(cè)器。

　　如今，發(fā)布的數(shù)據(jù)結(jié)果也再次證實(shí)這一點(diǎn)：悟空號(hào)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上最精確和最高效的探測(cè)，與之相應(yīng)的是，悟空號(hào)為人類觀測(cè)宇宙打開(kāi)了一扇新的窗戶，并為人類判斷暗物質(zhì)是否存在提供了“關(guān)鍵性數(shù)據(jù)”。

　　11月27日，這批成果在中國(guó)科學(xué)院發(fā)布時(shí)，成功吸引了10多家外國(guó)媒體登門采訪——這在該院學(xué)術(shù)成果發(fā)布?xì)v史上還是頭一回，在整個(gè)中國(guó)學(xué)術(shù)界也十分罕見(jiàn)。

　　當(dāng)天，在眾多媒體和閃光燈的包圍下，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士也沒(méi)有掩飾自己在這種時(shí)刻該有的興奮、激動(dòng)，他說(shuō)：“今天是一個(gè)非常重要的日子，也許在人類科學(xué)發(fā)展的歷史上，大家會(huì)記住今天。”

　　“因?yàn)橹袊?guó)科學(xué)家已經(jīng)從自然科學(xué)前沿重大發(fā)現(xiàn)和理論的學(xué)習(xí)者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺(tái)中央。中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)在基礎(chǔ)科學(xué)前沿的投入和付出終于有了突破。”白春禮說(shuō)。

　　當(dāng)然，悟空號(hào)用其前半生所帶來(lái)的突破，可能還需要人類再“消化”一陣子——28億高能宇宙射線，150萬(wàn)25GeV能量以上的電子宇宙射線，國(guó)際上精度最高的電子能譜，以及人類第一次直接“看到”電子宇宙射線能譜在1 TeV處的“拐折”，等等——國(guó)際天文學(xué)界、物理學(xué)界已經(jīng)“炸開(kāi)了鍋”，夜以繼日地計(jì)算、分析。

　　12年：“更大的探測(cè)器”從無(wú)到有

　　從某種意義上說(shuō)，這530天就像一場(chǎng)驚心動(dòng)魄的“獵捕”行動(dòng)，而在悟空號(hào)登入太空獵場(chǎng)之前，則是漫長(zhǎng)的等待和驗(yàn)證。

　　這一切，還要從常進(jìn)多年前的一次氣球?qū)嶒?yàn)說(shuō)起。

　　那是一次中美聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，地點(diǎn)在南極。在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，常進(jìn)所使用的探測(cè)器，已經(jīng)能夠測(cè)量非常高的能量，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：有一個(gè)能量段，大家都認(rèn)為其計(jì)數(shù)率應(yīng)該“下降”，但測(cè)量的結(jié)果卻顯示為“超出”，也就是不降反增了。

　　一石激起千層浪，科學(xué)家反復(fù)討論：這個(gè)奇異現(xiàn)象的背后是否隱藏著暗物質(zhì)的存在？

　　遺憾的是，常進(jìn)當(dāng)時(shí)所獲得的數(shù)據(jù)太少，置信度不高，因此“無(wú)法完全確定”。

　　到了2005年，吳季來(lái)到常進(jìn)的辦公室，那是兩人第一次相見(jiàn)。常進(jìn)把這個(gè)故事講給吳季聽(tīng)，并把那條“奇怪的曲線”翻出來(lái)給他看。

　　吳季至今記得，常進(jìn)當(dāng)時(shí)“非常激動(dòng)”，“他說(shuō)，如果能做一個(gè)更大的探測(cè)器，并把它放到衛(wèi)星上，他就一定能夠斷定，奇怪的東西是不是暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能粒子？”

　　這一幕發(fā)生在12年前。那之后，就迎來(lái)了人們所熟知的悟空號(hào)“出爐記”。

　　當(dāng)然，整個(gè)過(guò)程并不容易。悟空號(hào)身上最核心和最重的部分是一個(gè)名為“BGO”的晶體量能器。在論證階段，吳季曾問(wèn)過(guò)常進(jìn)，為什么用BGO晶體——“太重了，很燒錢”，如果用其他的，整個(gè)衛(wèi)星可能會(huì)輕一點(diǎn)。

　　常進(jìn)回答得很干脆，用，一定要用。

　　他告訴吳季，在中科院硅酸鹽所，有一個(gè)技術(shù)工人，可以造出世界上最長(zhǎng)的BGO晶體，如此一來(lái)，就可以大大提高探測(cè)效率，“將年化為月，將月化為周，如此，就可能趕在外國(guó)人之前發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)”。

　　這一點(diǎn)，暗物質(zhì)衛(wèi)星工程總設(shè)計(jì)師艾長(zhǎng)春頗有體會(huì)。

　　在接觸悟空號(hào)之前，艾長(zhǎng)春主要從事應(yīng)用衛(wèi)星的研制，對(duì)比兩者，他發(fā)現(xiàn)，悟空號(hào)這樣的科學(xué)衛(wèi)星，從事的是空間科學(xué)研究，屬基礎(chǔ)科學(xué)研究范疇，其產(chǎn)出就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而科學(xué)發(fā)現(xiàn)“只有第一，沒(méi)有第二！”

　　在接受中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者采訪時(shí)，他反復(fù)念叨一個(gè)詞：“機(jī)會(huì)”。“機(jī)會(huì)很重要，很關(guān)鍵，很難得！大家都在做同一件事，你把握不住機(jī)會(huì)，沒(méi)有在第一時(shí)間得到世界認(rèn)可的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，那么你過(guò)去所有的努力基本上都是沒(méi)有意義的”。

　　艾長(zhǎng)春說(shuō)，就我國(guó)而言，科學(xué)衛(wèi)星的發(fā)展，雖然已有了較好的大環(huán)境，但畢竟“機(jī)會(huì)”不多，“如果失敗，再來(lái)一次可就不容易了”。

　　2016年3月，悟空號(hào)飛天不到3個(gè)月，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心即組織專家對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行在軌測(cè)試總結(jié)評(píng)審，當(dāng)時(shí)給出的指標(biāo)評(píng)定為“100分”。如今，悟空號(hào)在軌將近兩年，常進(jìn)說(shuō)，“所有探測(cè)器性能和剛發(fā)射時(shí)一樣，依然是100分的狀態(tài)！”

　　未來(lái)：或有下一顆悟空號(hào)誕生

　　或許，外行人很難想象，悟空號(hào)的視力究竟要多強(qiáng)，才能稱得上“火眼金睛”？

　　常進(jìn)說(shuō)，悟空號(hào)可以對(duì)5 GeV到10 TeV之間的電子、伽馬射線實(shí)現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)適用型”觀測(cè)。

　　這是什么概念？1 GeV是10億電子伏特，1 TeV是1000GeV，即1萬(wàn)億電子伏特。拿人眼來(lái)做類比，后者所能接收到最敏感的可見(jiàn)光能量，僅僅為2電子伏特——10000000000000∶2。

　　常進(jìn)說(shuō)，悟空號(hào)平均每秒就能“捕捉”60個(gè)高能粒子，相當(dāng)于平均每天500萬(wàn)個(gè)高能粒子。如此取到的“真經(jīng)”，用人們所熟悉的數(shù)據(jù)量來(lái)計(jì)算，每天就有16 GB。

　　盡管截至目前，這些數(shù)據(jù)還沒(méi)能回答人們最關(guān)心的那個(gè)問(wèn)題：到底暗物質(zhì)存不存在。

　　這就涉及一個(gè)深層次的追問(wèn)，即人類為何要耗費(fèi)巨資來(lái)做這些“可能得不到答案”甚至“一無(wú)所獲、風(fēng)險(xiǎn)很大”的研究。

　　印格致就此講了粒子物理學(xué)研究歷史上那個(gè)著名的故事——

　　物理學(xué)家羅伯特·威爾遜，是著名的高能物理研究中心費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的第一位主任，有一次接受美國(guó)國(guó)會(huì)的詢問(wèn)。一位參議員問(wèn)他：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究成果，是否可以用于增強(qiáng)國(guó)防？

　　威爾遜的答案很直接：成果無(wú)法用于國(guó)防。

　　這位參議員很不解，繼續(xù)追問(wèn)，威爾遜于是解釋：研究粒子物理，與我們?nèi)绾慰创舜擞嘘P(guān)，與人類的尊嚴(yán)有關(guān)，與我們對(duì)于文化的熱愛(ài)有關(guān)——雖然粒子物理與國(guó)防沒(méi)有直接關(guān)系，但它讓我們更想保護(hù)自己的國(guó)家！

　　這樣的問(wèn)答在印格致看來(lái)，已足以證明人類需要盡全力去解答“我們?yōu)楹卧谟钪嬷写嬖?rdquo;這樣宏大的問(wèn)題——這也是為何我們要投資基礎(chǔ)科學(xué)研究。

　　事實(shí)上，自20世紀(jì)以來(lái)，重大基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)逐漸由科學(xué)家的自由探索，轉(zhuǎn)為國(guó)家資助的、有組織的定向基礎(chǔ)研究。白春禮說(shuō)，在這種背景下，前沿研究主要依靠?jī)纱笤O(shè)施，一是地面上的大科學(xué)裝置，另一個(gè)是空間的科學(xué)探測(cè)儀器。

　　這些僅靠個(gè)人興趣已很難企及，必須依賴政府公益性的投入——這個(gè)過(guò)程中，那些富有遠(yuǎn)見(jiàn)的、敢冒險(xiǎn)的投入顯得十分可貴。

　　2011年1月，中科院?jiǎn)?dòng)實(shí)施空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)，其總體目標(biāo)是在“最具優(yōu)勢(shì)和最具重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力”的科學(xué)熱點(diǎn)領(lǐng)域，通過(guò)自主和國(guó)際合作科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破。

　　悟空號(hào)就“誕生”于這個(gè)先導(dǎo)專項(xiàng)。

　　常進(jìn)告訴記者，未來(lái)不排除有下一顆悟空號(hào)面世的可能——這一切還要看當(dāng)下這顆衛(wèi)星“后半生”的表現(xiàn)。他說(shuō)，第二批成果預(yù)計(jì)明年年底出爐。

　　當(dāng)然，探索過(guò)程中也并非沒(méi)有意想之外的收獲。

　　印格致說(shuō)，高能粒子物理研究中產(chǎn)生的技術(shù)，就改變了我們操縱世界的方式。比如，所謂互聯(lián)網(wǎng)概念，正是源于粒子物理學(xué)家對(duì)于快速便利共享信息的需求，如今這項(xiàng)技術(shù)幾乎是每個(gè)人都離不開(kāi)的。

　　中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者 邱晨輝 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào) ( 2017年12月04日 12 版)

（原標(biāo)題：中國(guó)第一顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星悟空號(hào)“取經(jīng)”記）

來(lái)源：http://www.chinanews.com/gn/2017/12-04/8391580.shtml