柔软的宇宙玩自暴的小偷

2023-07-21 22:01:4034:40 864

声音简介

第18章玩自曝的小偷
说到阿尔法磁谱仪，那可是大大的有名，因为主导者就是大名鼎鼎的丁肇中。他年轻的时候就展露出了在实验物理方面的才华，后来在大型物理学实验方面，每战必胜，从无败绩，1976年还拿了诺贝尔物理学奖，因此在国际上威望非常高。他搞的项目中有不少是国际合作项目人员来自世界各地，就好像小联合国。他协调各个方面干起事情来，雷厉风行，毫不拖泥带水，有科学沙皇之称。

这个阿尔法磁谱仪已经是第2代了，因此缩写叫amsr。探测原理是基于一个假设，暗物质粒子的反粒子就是他自己因此两个暗物质粒子偶尔碰撞到一起，会发生洇灭，产生的能量会创造出电子以及正电子。我们从天体物理学的模型可以计算出一个正电子和电子的比例关系，假如正电子比例多的不正常，那么必定有蹊跷，极有可能是暗物质粒子产生的。意大利的帕梅拉探测器在2008年探测到多余的正电荷，但是帕梅拉探测器并不能分辨这种正电荷到底是质子还是正电子，这两种粒子都在正电，因此需要新的探测器去探测，阿尔法磁谱仪就应用而生了。

这个计划是一个国际合作项目，共动员了200多人，来自31所大学院校和15个国家。我国作为丁肇中的祖国，自然是积极参与。核心部件永磁铁是我国的产品，强磁铁离不开稀土，我国是稀土大国，净水楼台先得月。这个阿尔法磁谱仪是个大家伙，大概有近7吨的重量，必须安装到国际空间站上去。2003年哥伦比亚航天飞机，在从太空返回的时候空中解体，宇航员全部死亡，再加上航天飞机维修费及其昂贵这次事故之后，航天飞机的退役就进入倒计时。可是俄罗斯的飞船没办法用这么重的东西，险一险就没了运载工具。最终还算幸运搭上了末班车，在2011年的倒数第2次航天飞机任务中，阿尔法磁谱仪被送上了国际空间站。随后航天飞机全部退役，进了博物馆太空霸主，美国暂时失去载人航天的能力，直到今天。

经过几年的运行，阿尔法磁谱仪积累了大量数据，到了2014年阿尔法磁谱仪已经发现了1,090亿个电子与反电子，在已经完成的观测中暗物质的6个特征已有5个得到确认，这一研究结果将人类对暗物质的探索向前推进了一大步。在一个能量段内正电子多的不正常，应该与暗物质有关系。这些正电子来自四面八方，并没有某个特定的方向与暗物质的分布是相符合的。

2015年底，我国也开始参与大型科学探测项目，发射了暗物质粒子探测卫星，经过社会征名起了个颇有民族，传统的名字叫悟空。悟空上搭载了4种探测器，分别是塑闪阵列探测器，硅阵列探测器，BGO量能器，中子探测器，造价7亿人民币。虽然听起来很贵，但是起码比阿尔法磁谱仪的价钱便宜多了，那时候美国人可是花了20亿美元呢暗物质，粒子探测卫星能探测的粒子的最大能量，大约是阿尔法磁谱仪2号的10倍，同时能量分辨率更高，比NASA费米卫星的准确率提高了10倍，并且能观测阿尔法磁谱仪2号无法观测的光子。我国现在也越来越多地参与到这种基础科学的探测与实验中来，除了寻找和研究暗物质粒子这颗卫星还将致力于研究宇宙线起源和伽马射线等极大的推动我国空间科学的发展。没有蒸蒸日上的综合国力支撑，就没有办法玩这些探索未知的项目，经济基础才是王道，咱们如今也不差钱了。

别看探测器一个个都升空了，也拿回了不少的数据，可是先别高兴的太早了，科学研究总是按下葫芦起了瓢，这些数据对上茬，那边就很可能错的离谱。在计算机上玩模拟计算的科学家们，可遇上麻烦了，2012年美国加利福尼亚大学欧文分校的宇宙学家迈克尔模拟了标准冷暗物质对矮橢球形系形成过程的影响，这是一种环绕着银河系运转的迷你卫星星系，通过观察白椭球星系内部恒星的运动方式，迈克尔能够准确推断出他们内部暗物质的含量。他说结果好像讲不通，模拟得到的矮椭球星系要比真实宇宙中我们看到的质量更大，密度更高。

既然冷暗物质不行，咱就来算热的，让热暗物质上去试试看。他们更不容易成团，从而形成更为松散的星系。在20世纪80年代有人怀疑暗物质是不是就是中微子啊，中微子也是一种中性的，不喜欢与其他物质起作用的粒子，热暗物质模型就是以中微子为基础的。但后来发现热暗物质与冷暗物质恰恰相反，中微子运动太快，根本聚集不成相对紧密的星系结构。

还有第3个办法。几年前弗伦克让他的团队去寻找一个最佳解决方案，暗物质既不太热又不太冷，而是刚刚好。让他们吃惊的是，这种不冷不热的温暗物质能够形成与观测相符的矮椭球星系。

不过，仍然会有其他影响：文案物质粒子的主要候选者是惰性中微子，大型强子对撞机或许会撞出惰性中微子，但他们很难探测，只有当普通中微子自发转变成惰性中微子那一刻恰好被看见，我们才能知道有这么回事。

如果不冷不热的温暗物质才是暗物质的本尊，那么以前各种实验，那不就是拜错了庙门？特别是在直接探测wimp粒子方面，那岂不是花了大把的冤枉钱啊！要知道卫星和国际空间站也都不便宜，还有那些苦巴巴的在深山老林里蹲坑守候的探测者，岂不是也白花了大把的汗水与青春？真凄凉……

英国爱丁堡大学的豪尔赫和他的同事们也一直在探测近距离矮橢球星系中暗物质的分布。他们发现暗物质在这些星系的直径方向上似乎是均匀分布的，他说这种恒定不变的密度是我们事先没有预料到的。用任何温度的暗物质进行计算机模拟，不管是冷的热的还是温的，得出的矮星系都是越靠近中心密度越高。体型稍大距离更远的星际也看到了这种现象。

考虑的再复杂一些，普通物质要和暗物质掺合在一起作用呢，这事就更复杂了。至今为止，各种消息都有，就是没有一路，是确切肯定的，至今还是一个谜。暗物质说到底还是一种说不清，道不明的存在。

从微波背景辐射的数据来看，暗物质虽然要比普通物质多了好多倍，却仍然不占大头。占据真正统治地位的是另外一种物质，叫做暗能量，这东西就更加神秘了。根据最新的普朗克卫星数据推测，4.9%是普通物质，26.8%是暗物质，68.3%是暗能量，大头是暗能量。这按能量又是哪路神仙？居然如此神秘，连个脸都不露，这东西到底是怎么被人发现的呢？这要从宇宙中一个不那么光彩的小偷说起。

在宇宙中测量距离很多时候是靠光度法来测量的。一个100瓦的大灯泡亮度我知道，那么就可以拿这个作为依据来计算距离。只要是知道大灯泡的瓦数，我们再测量一下亮度就可以计算出它有多远了。那么我怎么知道这个灯泡是几瓦的呢？哈勃靠的是造福变心，造福变心的变化周期跟亮度有关系，可以根据亮度变化周期来计算出这个灯泡到底是几瓦的。那么换算一下距离也就知道了。

1929年哈勃首先发现河外星系的视向速度与距离成比例，即距离越大，视向速度也越大。并给出比值为500，后来人们称之为哈勃常数，以符号H表示。1931年哈勃与哈马逊第2次测定H为558后，又订正为526，计算哈勃常数的时候应用了造福变星和星系中的最亮星来标定距离。1952年巴德指出，仙女星系中造父变星的星等零点有问题，需要调整一下，变动了1.5等，由此哈勃常数应修订为260。1958年桑德奇指出：哈佛所说的最亮星实际上位于电离氢区，因此要再加上1.8等的星等改正，从而将哈勃常数降低为H等于75。1974年到1976年，桑德奇和塔曼又用7种距离指标的方法重新修订哈勃常数，得到H等于55，只及哈勃当年测定值的1/10。这就是说按照哈勃定律推算星系的距离，用H的新修订值所得的结果比哈勃当年所得的结果增大10倍。