引力波之后下個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)會(huì)是啥？暗物質(zhì)最受關(guān)注

來源：新浪科技 發(fā)布時(shí)間：2018-01-09瀏覽：3009次

引力波之后下個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)會(huì)是啥？暗物質(zhì)最受關(guān)注

　　新浪科技訊 北京時(shí)間1月9日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，2015年9月14日，美國(guó)中部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間凌晨3點(diǎn)50分，一絲微小的振動(dòng)傳遞到了美國(guó)路易斯安那州利文斯頓的一臺(tái)大型機(jī)器的4公里長(zhǎng)臂上。極短的時(shí)間之后，同樣的振動(dòng)出現(xiàn)在了華盛頓州漢福德另一臺(tái)同類機(jī)器的長(zhǎng)臂上。最終，物理學(xué)家證實(shí)了這兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)的本質(zhì)：經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的努力工作，科學(xué)家終于見到了引力波。他們發(fā)現(xiàn)，這些微小的振動(dòng)來源于15億年前兩個(gè)黑洞的相互碰撞。

　　就在兩個(gè)月之后，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）就第二次探測(cè)到了引力波。然后，在2017年，物理學(xué)家又第三次、第四次、第五次和第六次探測(cè)到了引力波。利用這些探測(cè)結(jié)果，他們解決了物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的謎題，證實(shí)了引力遵循著愛因斯坦的廣義相對(duì)論。2017年10月，3位引力波研究的先驅(qū)者——巴里·巴里什（Barry Barish）、基普·索恩（Kip Thorne）和萊納·魏斯（Rainer Weiss）——因?yàn)檫@項(xiàng)關(guān)鍵性的工作而贏得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　然而，不要因?yàn)檫@些榮譽(yù)就覺得LIGO的成功來得很容易。當(dāng)20多年前，LIGO團(tuán)隊(duì)剛開始建設(shè)用于探測(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，物理學(xué)界的許多人都與他們劃清界限，有一個(gè)同行甚至作證反對(duì)國(guó)會(huì)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行資助。當(dāng)然，所有偉大的物理發(fā)現(xiàn)都會(huì)不可避免地經(jīng)歷緩慢而曲折（而且耗費(fèi)巨大）的過程，中間充滿了科學(xué)家的努力和政治爭(zhēng)論。下一個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)肯定也是多種因素共同作用的結(jié)果，不僅需要科學(xué)上的努力工作，而且還要考慮政治和運(yùn)氣因素。因此，物理學(xué)家其實(shí)并不知道將會(huì)迎來什么樣的突破。

　　不過可以確定的是，要取得重大發(fā)現(xiàn)就必須投入巨大的資金。美國(guó)芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家喬舒亞·弗里曼（Joshua Frieman）表示，物理學(xué)家已經(jīng)解決了許多簡(jiǎn)單一些的宇宙謎題，剩下的問題都足夠復(fù)雜，需要大量資金來開發(fā)多種定制的設(shè)備?！拔覀兪亲陨沓晒Φ氖芎φ撸备ダ锫f道。

　　那么，物理學(xué)下一個(gè)偉大的突破性發(fā)現(xiàn)會(huì)是什么呢？暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)是最受關(guān)注的候選，還有一個(gè)是找到宇宙物質(zhì)的來源。

　　從1999年就開始搜尋暗物質(zhì)的芝加哥大學(xué)物理學(xué)家盧卡·格蘭迪（Luca Grandi）說：“我認(rèn)為人們只會(huì)在獲得發(fā)現(xiàn)的時(shí)候想到科學(xué)家?！碑?dāng)還在意大利上大學(xué)的時(shí)候，格蘭迪就加入了一個(gè)被稱為“WArP”的暗物質(zhì)合作項(xiàng)目，而該項(xiàng)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(yù)測(cè)了不可見的“暗物質(zhì)”的存在，當(dāng)時(shí)他注意到星系的旋轉(zhuǎn)速度快于其預(yù)計(jì)質(zhì)量應(yīng)有的速度。幾十年之后，薇拉·魯賓（Vera Rubin）發(fā)現(xiàn)了更多暗物質(zhì)存在于其他星系中的證據(jù)。物理學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，暗物質(zhì)組成了約85%的宇宙質(zhì)量。

　　然而，還是沒有人在地球上觀測(cè)到暗物質(zhì)。格蘭迪已經(jīng)在這一領(lǐng)域從事了18年的研究，他嘗試了好幾種方法。2008年，還在美國(guó)做博士后的他與其他科學(xué)家共同建立了稱為“DarkSide”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，目前該項(xiàng)目仍在進(jìn)行中。不過，DarkSide實(shí)驗(yàn)采用液氬作為探測(cè)靶物質(zhì)的方法已經(jīng)不是很受青睞，許多研究者轉(zhuǎn)而采用以液氙為基礎(chǔ)的探測(cè)器，其精確度更高。

　　格蘭迪目前的暗物質(zhì)研究小組名為“Xenon1T”，已經(jīng)在制定直到2030年代的計(jì)劃——首先是把目前3噸的探測(cè)器擴(kuò)展到8噸，最終達(dá)到50噸。探測(cè)器越大，捕捉到弱相互作用大質(zhì)量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）的機(jī)會(huì)就越大。WIMP粒子是被大多數(shù)物理學(xué)家接受的一種暗物質(zhì)粒子候選。今年41歲的格蘭迪希望能一直堅(jiān)持下去。“每一天都是不同的，因此我覺得很難會(huì)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域感到厭倦，”他說，“你其實(shí)有很多的事情要做，從硬件到數(shù)據(jù)分析，再到解釋和統(tǒng)計(jì)。因此總是充滿了激情?！?/p>

　　這正是獲得下一次發(fā)現(xiàn)所需要的：旺盛的、能承受數(shù)十年失敗和官僚體制的好奇心?！拔覀儸F(xiàn)在談?wù)摰氖?0年以上的時(shí)間跨度，從一個(gè)項(xiàng)目最初概念的提出，到真正采集數(shù)據(jù)，”弗里曼說，“這是一段很長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)一個(gè)人來說，這是相當(dāng)可觀的一段職業(yè)生涯?！?/p>

　　弗里曼并不是在談?wù)搶ふ野滴镔|(zhì)的努力，而是在說一個(gè)完全不同的物理學(xué)項(xiàng)目：位于智利的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（Large Synoptic Survey telescope，LSST）。該望遠(yuǎn)鏡于20世紀(jì)90年代提出，現(xiàn)在還在建設(shè)當(dāng)中，計(jì)劃在2022年最終建成，它將被用來尋找困擾物理學(xué)家多年的暗能量。天體物理學(xué)家認(rèn)為暗能量導(dǎo)致了宇宙以加速的趨勢(shì)膨脹——加速度之快以至于宇宙最終會(huì)在幾十億年之后分崩離析。他們將這一宇宙終極命運(yùn)稱為“大撕裂”（The Big Rip）。

　　LSST的觀測(cè)將建立在“暗能量調(diào)查”（Dark Energy Survey）項(xiàng)目的基礎(chǔ)上。該項(xiàng)目由弗里曼領(lǐng)導(dǎo)，從2013年至今已經(jīng)對(duì)3億個(gè)星系進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。弗里曼從零開始為該項(xiàng)目籌集了5000萬美元的資金，用于攝像機(jī)、軟件和人工費(fèi)用。

　　在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）2017年的80億美元預(yù)算中，“暗能量調(diào)查”項(xiàng)目的資助金額只能算中等水平，而LIGO累積的開支已經(jīng)超過10億美元。然而，物理學(xué)家提出的許多項(xiàng)目也有著同樣驚人的預(yù)算。例如，Xenon實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在美國(guó)和其他國(guó)家籌集了數(shù)千萬美元的資金，用于建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

　　對(duì)于這些數(shù)額，“你不應(yīng)該感到意外，”斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家喬治·格雷塔（Giorgio Gratta）說道。首先，你需要招募一個(gè)小組來開展工作。通常情況下，你可以從任職的大學(xué)獲得一小筆資助，發(fā)展你的想法。接著，你要做出原型機(jī)或初步成果，并進(jìn)行宣傳，希望以此獲得普通大眾的關(guān)注。

　　這個(gè)過程需要許多年時(shí)間，最好的情況是：你具備了足夠多的優(yōu)勢(shì)，促使政府的科學(xué)顧問決定推薦你的項(xiàng)目接受資助。這才是把一個(gè)項(xiàng)目從理論真正變成實(shí)際所需要的。

　　格雷塔將這一過程稱為“社會(huì)化”，在大約5年時(shí)間里，他一直在做這樣的嘗試，為自己的項(xiàng)目籌集資金。該項(xiàng)目被稱為“nEXO”，需要2億美元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)升級(jí)。他希望通過這一項(xiàng)目找到無中微子雙β衰變（neutrinoless double beta decay）的證據(jù)。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(nèi)的兩個(gè)中子同時(shí)變換成兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子——兩個(gè)物質(zhì)粒子變成四個(gè)，同時(shí)不產(chǎn)生任何反物質(zhì)。

　　這是一個(gè)假想的過程，目前還未曾觀測(cè)過。如果該過程真的發(fā)生，或許能說明宇宙創(chuàng)造的物質(zhì)比反物質(zhì)更多。而如果能證實(shí)這一點(diǎn)，或許我們就能回答最令人頭疼的基本問題：為什么宇宙會(huì)存在？

　　格雷塔和他的同事們?cè)谶^去幾年中一直在“社會(huì)化”，目前研究小組已經(jīng)有了大約150個(gè)成員，他們會(huì)在學(xué)術(shù)會(huì)議上大膽介紹nEXO項(xiàng)目。目前，研究小組已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)設(shè)施的初步設(shè)計(jì)，即一個(gè)重約5噸的圓柱體液氙罐，加上許多精密的電子設(shè)備。他們對(duì)探測(cè)器的特殊部件進(jìn)行了可行性研究，為設(shè)計(jì)提供了支持。