2014年9月18日，由美籍华裔物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪(AMS)项目在《物理评论快报》上，发表了关于“暗物质”探测实验的最新研究成果

丁肇中介绍阿尔法磁谱仪
 

　　2014年9月18日，由美籍华裔物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪(AMS)项目在《物理评论快报》上，发表了关于“暗物质”探测实验的最新研究成果，进一步确信探测到的宇宙射线中过量的正电子极可能来自“暗物质”。

　　9月20日，丁肇中委托山东大学程林教授，在国内召开记者发布会，通报了该项目成果。

　　这是这个项目继2013年4月之后，第二次公布探测实验报告。在最新的报道中，人们使用了更乐观的字眼，诸如“使暗物质存在的争议趋于明朗”“证实暗物质存在只差最后一环”，尽管这还不代表物理学共同体对“暗物质”理论的最终公认。

　　“不可见”的“暗物质”

　　有物理学家声称，“暗物质”和“暗能量”是20世纪物理学的“两朵乌云”。当下世界物理学共同体基本公认，我们生活的宇宙，可见物质仅占4%，不可见的暗物质占22%，而不可探测的暗能量占74%。
从19世纪牛顿力学的鼎盛期起，人们就相信物理学可以无所不包地解释整个宇宙。20世纪初，由于微观世界的探索，科学家又创造出了量子力学，并且在上个世纪取得了辉煌成果。
没想到上世纪末，物理学家们才沮丧地发现，原认为无比强大的物理学，充其量也只能看到和解释宇宙的一个极小的部分——4%。就像一只大苹果只啃得动一小口！这就难免让人产生物理学天空依然阴云密布的悲观情绪。

　　这里所说的“暗物质”，有人也许会问：既然你说它“不可见”，你又怎么能断定它的存在呢？打个比方吧：你称了一篓苹果有10斤重，可是看得见并吃到嘴的只有1斤。你就可以断定，有9斤苹果或者其他东西穿着隐身衣呆在篓子里——因为重量暴露了它们存在的秘密。

　　我们说“看见”一个东西，无非是这个东西放射或反射包括可见光和不可见光在内的电磁波。这些电磁波与我们的眼睛或科学探测仪(人类眼睛的延伸)发生了相互作用。

　　所谓“暗物质”，就是一些既不放射、也不反射电磁波的物质。因此，人类不可能“看见”它们。但是，“暗物质”也是物质，是物质就有质量。根据牛顿的万有引力定律，有质量就有引力。因此，人类就有可能通过引力现象“感觉”到它们的存在。

　　最早猜测“暗物质”存在的是荷兰科学家扬·奥尔特。1932年，他发现银河系恒星的运行轨迹与观测到的总质量对不上号。打个比方说，如果地球的质量只有现在的五分之一，月球就会沿着一条远离地球的螺旋式轨道运行，并很快脱离地球；反过来，我们只要根据月球目前这条稳定的轨迹，就可以推算出地球正确的质量。并且，可以通过测量来验证这个推算值。

　　银河系也是这样的情形，奥尔特认为应该有远大于观测到的质量，这个星系才有可能维持它的稳定性。

　　到1933年，美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里兹·茨维基研究后发座星系团时，也产生了同样的疑惑。运用维里定理(星系2倍的总动能与总引力势能之和为0)推算，他断定这个星系团内部必然存在着“看不见的物质”。

　　这是“暗物质”概念的首次提出，只是还没有使用“暗物质(dark matter)”这个名词。茨维基是一个天赋极高，而口德又极糟糕的科学家。也许有这个非理性的因素，他关于“暗物质”的天才论断当时并没有引起人们的重视。

　　到了上世纪的60年代，天文物理学家对天体进行了更大规模和更缜密的观测和运算，从恒星轨道推算出来的星系总质量和实际观测到的星系的所有恒星、气体和尘埃的总质量不符。他们观测了100多个星系，观测值与推算值都不一致，且还不是小的误差，而是数倍之巨！

　　到了上世纪70年代，天文物理学界就普遍承认了“暗物质”的存在。

　　探索“不知道”的神秘世界

　　既然我们可以通过引力现象推断出“暗物质”的存在，那么这种引力现象不就被“暗物质”的经验证实了吗？何须还兴师动众地去做证实实验呢？

　　原来，引力是宇宙4种力(其余3种分别是电磁力、强力和弱力)中最神秘莫测的一种。尽管万有引力定律已经完美地解释和成功地预测了无数的物理现象，但就连这个定律的发明者牛顿也自叹根本不知道万有引力的“原因”。上世纪也有物理学家试图建立引力模型，但始终没有成功。因此科学还是相信“眼见为实”。

　　其实还存在着另一种可能：“暗物质”理论压根就是错的，作为经验依据的那些观测现象也不是什么引力现象，因为作出这种解释的理论基础——牛顿力学、相对论和量子力学——统统都是错误的。

　　如果真是这样，现有的物理学大厦就要连根摧毁，在残垣废墟上建立起全新的物理学！这实在太恐怖了！最经济的方法，还是加倍努力通过实验来确证这个理论。因此，丁肇中团队的实验报告给物理学家们带来的欣喜是可想而知的。

　　1936年，毕业于山东大学的丁肇中的父亲，携身怀六甲的妻子赴美访问。妻子意外早产，在美国生下了丁肇中。丁肇中出生后两个月，随父母回到战乱中的中国。12岁之前，他的早期教育都是由父母在家中进行的。

　　1948年到台湾后，丁肇中才得以进入学校接受正规教育。1956年，他赴美国接受高等教育，之后在实验物理学领域渐露头角。1974年，他领导的实验小组发现了J/ψ粒子，间接证明了当时物理学前沿——夸克模型的第二代夸克中的粲夸克的存在。为此，他获得了1976年的诺贝尔物理学奖。

　　据说，丁肇中以在接受提问时回答“不知道”频率之高而闻名。这似乎与人们心目中博闻广识的教授形像不符，尤其是丁肇中这种“高大上”的教授。

　　其实“不知道”是比“知道”更高的智慧。两千多年前，最睿智的古希腊哲学家苏格拉底的名言就是：“我知道我不知道。” 正是一个又一个接踵而至的“不知道”，千百年来吸引着无数人类最聪明的大脑加入宇宙探险的征程，打开了一扇又一扇未知世界的大门，才使我们有了现在的宇宙图景，并享受着现代科技的一切成果。

　　“暗物质”理论的最终确认也许还有待时日，但可以肯定那将是继2013年最终确认希格斯玻色子理论之后，物理学史上又一个里程碑式的事件。诺贝尔物理学奖没有理由不来眷顾！丁肇中会成为第一个两度获得这个奖项的科学家(历史上居里夫人虽然两次获得诺贝尔奖，但一次是物理学奖，一次是化学奖)吗？让我们拭目以待吧！
(本文作者著有《宇宙的精灵——通俗量子力学史》一书)

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