引力波之后下個偉大發現會是啥？暗物質最受關注

來源：新浪科技 發布時間：2018-01-09瀏覽：2915次

引力波之后下個偉大發現會是啥？暗物質最受關注

　　新浪科技訊 北京時間1月9日消息，據國外媒體報道，2015年9月14日，美國中部標準時間凌晨3點50分，一絲微小的振動傳遞到了美國路易斯安那州利文斯頓的一臺大型機器的4公里長臂上。極短的時間之后，同樣的振動出現在了華盛頓州漢福德另一臺同類機器的長臂上。最終，物理學家證實了這兩個振動信號的本質：經過一個世紀的努力工作，科學家終于見到了引力波。他們發現，這些微小的振動來源于15億年前兩個黑洞的相互碰撞。

　　就在兩個月之后，激光干涉引力波天文臺（LIGO）就第二次探測到了引力波。然后，在2017年，物理學家又第三次、第四次、第五次和第六次探測到了引力波。利用這些探測結果，他們解決了物理學中一個長期懸而未決的謎題，證實了引力遵循著愛因斯坦的廣義相對論。2017年10月，3位引力波研究的先驅者——巴里·巴里什（Barry Barish）、基普·索恩（Kip Thorne）和萊納·魏斯（Rainer Weiss）——因為這項關鍵性的工作而贏得了諾貝爾物理學獎。

　　然而，不要因為這些榮譽就覺得LIGO的成功來得很容易。當20多年前，LIGO團隊剛開始建設用于探測的基礎設施時，物理學界的許多人都與他們劃清界限，有一個同行甚至作證反對國會對該項目進行資助。當然，所有偉大的物理發現都會不可避免地經歷緩慢而曲折（而且耗費巨大）的過程，中間充滿了科學家的努力和政治爭論。下一個偉大發現肯定也是多種因素共同作用的結果，不僅需要科學上的努力工作，而且還要考慮政治和運氣因素。因此，物理學家其實并不知道將會迎來什么樣的突破。

　　不過可以確定的是，要取得重大發現就必須投入巨大的資金。美國芝加哥大學的天體物理學家喬舒亞·弗里曼（Joshua Frieman）表示，物理學家已經解決了許多簡單一些的宇宙謎題，剩下的問題都足夠復雜，需要大量資金來開發多種定制的設備。“我們是自身成功的受害者，”弗里曼說道。

　　那么，物理學下一個偉大的突破性發現會是什么呢？暗物質和暗能量的發現是最受關注的候選，還有一個是找到宇宙物質的來源。

　　從1999年就開始搜尋暗物質的芝加哥大學物理學家盧卡·格蘭迪（Luca Grandi）說：“我認為人們只會在獲得發現的時候想到科學家。”當還在意大利上大學的時候，格蘭迪就加入了一個被稱為“WArP”的暗物質合作項目，而該項目的使命還可以追溯到60多年前。1933年，弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）首次預測了不可見的“暗物質”的存在，當時他注意到星系的旋轉速度快于其預計質量應有的速度。幾十年之后，薇拉·魯賓（Vera Rubin）發現了更多暗物質存在于其他星系中的證據。物理學家現在認為，暗物質組成了約85%的宇宙質量。

　　然而，還是沒有人在地球上觀測到暗物質。格蘭迪已經在這一領域從事了18年的研究，他嘗試了好幾種方法。2008年，還在美國做博士后的他與其他科學家共同建立了稱為“DarkSide”的實驗項目，目前該項目仍在進行中。不過，DarkSide實驗采用液氬作為探測靶物質的方法已經不是很受青睞，許多研究者轉而采用以液氙為基礎的探測器，其精確度更高。

　　格蘭迪目前的暗物質研究小組名為“Xenon1T”，已經在制定直到2030年代的計劃——首先是把目前3噸的探測器擴展到8噸，最終達到50噸。探測器越大，捕捉到弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）的機會就越大。WIMP粒子是被大多數物理學家接受的一種暗物質粒子候選。今年41歲的格蘭迪希望能一直堅持下去。“每一天都是不同的，因此我覺得很難會對這個領域感到厭倦，”他說，“你其實有很多的事情要做，從硬件到數據分析，再到解釋和統計。因此總是充滿了激情。”

　　這正是獲得下一次發現所需要的：旺盛的、能承受數十年失敗和官僚體制的好奇心。“我們現在談論的是20年以上的時間跨度，從一個項目最初概念的提出，到真正采集數據，”弗里曼說，“這是一段很長的時間，對一個人來說，這是相當可觀的一段職業生涯。”

　　弗里曼并不是在談論尋找暗物質的努力，而是在說一個完全不同的物理學項目：位于智利的大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey telescope，LSST）。該望遠鏡于20世紀90年代提出，現在還在建設當中，計劃在2022年最終建成，它將被用來尋找困擾物理學家多年的暗能量。天體物理學家認為暗能量導致了宇宙以加速的趨勢膨脹——加速度之快以至于宇宙最終會在幾十億年之后分崩離析。他們將這一宇宙終極命運稱為“大撕裂”（The Big Rip）。

　　LSST的觀測將建立在“暗能量調查”（Dark Energy Survey）項目的基礎上。該項目由弗里曼領導，從2013年至今已經對3億個星系進行了監測。弗里曼從零開始為該項目籌集了5000萬美元的資金，用于攝像機、軟件和人工費用。

　　在美國國家科學基金會（National Science Foundation）2017年的80億美元預算中，“暗能量調查”項目的資助金額只能算中等水平，而LIGO累積的開支已經超過10億美元。然而，物理學家提出的許多項目也有著同樣驚人的預算。例如，Xenon實驗已經在美國和其他國家籌集了數千萬美元的資金，用于建設實驗設施。

　　對于這些數額，“你不應該感到意外，”斯坦福大學的物理學家喬治·格雷塔（Giorgio Gratta）說道。首先，你需要招募一個小組來開展工作。通常情況下，你可以從任職的大學獲得一小筆資助，發展你的想法。接著，你要做出原型機或初步成果，并進行宣傳，希望以此獲得普通大眾的關注。

　　這個過程需要許多年時間，最好的情況是：你具備了足夠多的優勢，促使政府的科學顧問決定推薦你的項目接受資助。這才是把一個項目從理論真正變成實際所需要的。

　　格雷塔將這一過程稱為“社會化”，在大約5年時間里，他一直在做這樣的嘗試，為自己的項目籌集資金。該項目被稱為“nEXO”，需要2億美元進行實驗升級。他希望通過這一項目找到無中微子雙β衰變（neutrinoless double beta decay）的證據。無中微子雙β衰變是一種放射性衰變，在衰變過程中，原子核內的兩個中子同時變換成兩個質子和兩個電子——兩個物質粒子變成四個，同時不產生任何反物質。

　　這是一個假想的過程，目前還未曾觀測過。如果該過程真的發生，或許能說明宇宙創造的物質比反物質更多。而如果能證實這一點，或許我們就能回答最令人頭疼的基本問題：為什么宇宙會存在？

　　格雷塔和他的同事們在過去幾年中一直在“社會化”，目前研究小組已經有了大約150個成員，他們會在學術會議上大膽介紹nEXO項目。目前，研究小組已經有了實驗設施的初步設計，即一個重約5噸的圓柱體液氙罐，加上許多精密的電子設備。他們對探測器的特殊部件進行了可行性研究，為設計提供了支持。