今年是廣義相對論誕生100周年，100年前的12月2日，愛因斯坦闡述廣義相對論的論文發(fā)表于《普魯士科學(xué)院會議報告》，提出了顛覆牛頓定律的引力理論。根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)之間的引力來自時空彎曲，任何由加速運動產(chǎn)生的現(xiàn)象都可以用等價的引力場解釋。
愛因斯坦對引力的描述，能解釋多個牛頓定律無法解釋的現(xiàn)象，如水星等行星軌道的反常；提供了關(guān)于黑洞的基礎(chǔ)理論，也是宇宙大爆炸模型的組成部分。相對論還有重要的應(yīng)用價值，在GPS、北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，如果沒有基于狹義和廣義相對論的數(shù)據(jù)修正，誤差會越來越大。
然而，相對論在揭開自然奧秘的同時，也引發(fā)了至今仍未解開的謎團(tuán)。其中，暗物質(zhì)和暗能量這兩個宇宙“幽靈”，被視為21世紀(jì)物理學(xué)研究的重大問題。
普通物質(zhì)
只占宇宙總質(zhì)能5%
暗物質(zhì)和暗能量是如何“現(xiàn)形”的？上海交通大學(xué)鴻文講席教授、粒子與核物理研究所所長季向東介紹，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們觀測到的一些宇宙大尺度現(xiàn)象，與廣義相對論、牛頓力學(xué)的理論預(yù)測并不相符。例如，銀河系的恒星都在繞著銀河系中心高速運動，根據(jù)廣義相對論，恒星離星系中心越遠(yuǎn)，其運動速度應(yīng)該越慢。但實驗學(xué)家在研究一個螺旋星系的旋轉(zhuǎn)速度時，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)恒星的旋轉(zhuǎn)速度，比預(yù)測速度快得多。
這意味著兩種可能：一是廣義相對論在宇宙大尺度上失效，無法正確描述星系范圍的引力； 二是該理論仍然成立，只是在銀河系等螺旋星系中，存在人類還無法觀測到的物質(zhì)。其質(zhì)量非常大，使星系外側(cè)的恒星高速運轉(zhuǎn)，并用足夠大的引力“拉”住這些高速運轉(zhuǎn)的星球，使其不至于因離心力過大而脫離星系。
許多物理學(xué)家選擇了后一種解釋，提出宇宙中存在“暗物質(zhì)”。它們與人類已知的物質(zhì)一樣具有質(zhì)量，卻不與其發(fā)生電磁作用和強相互作用，因此人類幾乎無法觀測到。它們的密度很小，但數(shù)量龐大，因此總質(zhì)量大得驚人。如今，據(jù)物理學(xué)家推測，銀河系中暗物質(zhì)的質(zhì)量比普通物質(zhì)多20倍以上；在整個宇宙，普通物質(zhì)只占5%左右，暗物質(zhì)則占27%左右，另外68%左右的質(zhì)能來自“暗能量”。
談到暗能量，季向東解釋說，美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)，宇宙中的其他星系都在向著距離銀河系越來越遠(yuǎn)的方向移動，而且它們移動得越遠(yuǎn)，運行速度就越快。這揭示了一個真相：宇宙正在加速膨脹。根據(jù)廣義相對論和人類已觀測到的物質(zhì)，無法解釋究竟是什么力量在把宇宙“越吹越大”。如果廣義相對論是正確的引力理論，那么宇宙中很可能存在著一種充溢空間、增加宇宙膨脹速度的能量形式。它難以覺察，卻真實存在。
“熊貓計劃”
二期實驗即將啟動
暗物質(zhì)和暗能量的存在，都有一個前提條件：廣義相對論是適用于宇宙大尺度的引力理論。如今，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為相對論是正確的，因而踏上了尋找暗物質(zhì)和暗能量之路。
在暗物質(zhì)探測方面，我國科學(xué)家走在了世界前列。作為“熊貓計劃”（PandaX）負(fù)責(zé)人，季向東帶領(lǐng)團(tuán)隊在四川錦屏山地下實驗室尋找暗物質(zhì)的蹤跡。理論推測，銀河系中心區(qū)域集聚著大量暗物質(zhì)，它們應(yīng)該會彌漫到地球，估計每秒大約有上億個暗物質(zhì)原子穿透我們的身體。當(dāng)暗物質(zhì)原子與物質(zhì)原子碰撞后，會產(chǎn)生極其微弱的光電信號，但要捕獲它們極其困難。在地面上，各種宇宙射線對這種光電信號造成了極大的背景輻射干擾。為屏蔽干擾，實驗必須深入地下。
PandaX實驗正是在世界上最深的四川錦屏山地下實驗室進(jìn)行。這一實驗場所由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司于2010年聯(lián)合開發(fā)，在隧道工程建設(shè)中利用了一個約2400米深的人工井。山洞上方被深厚巖石層所覆蓋，阻擋外界信號。PandaX是“粒子和天體物理氙探測器”的英文簡寫，以惰性元素氙（Xe）作為探測媒介。實驗由上海交大牽頭組織，合作組包括中美6家研究機構(gòu)和大學(xué)在內(nèi)，首期使用了約120公斤的液態(tài)氙作為“靶子”，探測光臨地球的暗物質(zhì)粒子。去年8月，實驗組公布了立項4年來的首批物理數(shù)據(jù)——探測器記錄了約400萬個粒子撞擊事例，在暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的“能量區(qū)”大約有1萬個事例； 而在探測器中心的37公斤液氙中，只有46個事例。通過與放射源的定標(biāo)比較，這46個事例全部來自放射性本底，并沒有暗物質(zhì)留下的痕跡。
季向東表示，首期實驗主要探測的是輕質(zhì)量的暗物質(zhì)（粒子質(zhì)量是質(zhì)子的幾倍），而物理學(xué)界認(rèn)為，重質(zhì)量的暗物質(zhì)（粒子質(zhì)量是質(zhì)子的100倍左右）更多。為此，將目標(biāo)鎖定為重質(zhì)量暗物質(zhì)的二期實驗即將啟動，其探測規(guī)模和靈敏度是首期實驗的4倍?！皩嶒灧治鼋Y(jié)果計劃明年發(fā)表，能否探測到暗物質(zhì)？讓我們拭目以待。”
除了地下探測，科學(xué)家還在太空和大型強子對撞機里尋找暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。諾貝爾物理學(xué)獎得主丁肇中主持的暗物質(zhì)研究小組，利用的是國際空間站上阿爾法磁譜儀的觀測數(shù)據(jù)。理論推測，銀河系中心的暗物質(zhì)粒子彼此撞擊后，會湮滅為普通物質(zhì)和相應(yīng)的反物質(zhì)粒子。如果阿爾法磁譜儀探測到超出預(yù)期的普通物質(zhì)和反物質(zhì)粒子，就可能意味著銀河系中心有暗物質(zhì)。“我認(rèn)為，在這三種實驗方法中，地下探測最靠譜，因為它能直接探測到暗物質(zhì)。”季向東說。
宇宙“漣漪”
有望數(shù)月內(nèi)被探測
廣義相對論預(yù)言的引力波，也是百年未解之謎。中科院高能物理所研究員、北師大天文系教授王運永介紹，根據(jù)愛因斯坦的引力場方程，可推導(dǎo)出“引力波”這種時空波動。如果把時空比作水面，宇宙中發(fā)生天體碰撞這樣的大事后，就像石頭落入水中，在宇宙中形成一圈圈引力波“漣漪”。然而時至今日，人類還沒有直接探測到引力波，因為引力波的強度非常弱，即便兩個質(zhì)量很大的黑洞對撞產(chǎn)生的引力波傳到地球后，造成地球上各處相對距離的變動數(shù)量級也在10的負(fù)21次方以下。
去年，美國科研團(tuán)隊在分析了南極BICEP2望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)后，宣布發(fā)現(xiàn)了“原初引力波穿越嬰兒宇宙留下的印記”——比預(yù)期中強烈得多的一個B模式極化信號。經(jīng)過3年多檢驗，他們排除了其他可能來源。認(rèn)定該模式只能由宇宙演化初期暴漲產(chǎn)生的引力波造成。這一重大發(fā)現(xiàn)一經(jīng)宣布，就引起全球科學(xué)界轟動。
然而，隨之而來的不是掌聲，而是科學(xué)家的質(zhì)疑。今年1月，這個美國科學(xué)家團(tuán)隊和歐洲空間局專家正式確認(rèn)，那個發(fā)現(xiàn)是錯誤的。新的聯(lián)合分析數(shù)據(jù)顯示，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)的那個信號是由銀河系的塵埃干擾造成，而非來源于宇宙暴漲。
不過，季向東很有信心地告訴記者，探測到引力波已指日可待。這是因為，全球最大的引力波觀測設(shè)備——美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）近日重新開始數(shù)據(jù)采集，有望在未來幾個月內(nèi)探測到引力波。LIGO的觀測站通過長達(dá)4公里的束管發(fā)射激光，以便于探測與引力波傳播密切相關(guān)的空間微小扭曲現(xiàn)象。
1916年，愛因斯坦發(fā)表了第一篇預(yù)示引力波的論文。2016年，這種宇宙“漣漪”很可能被探測到。如果能形成相隔100年的呼應(yīng)，豈不令人感嘆？季向東說，廣義相對論是一種了不起的理論，得到許多實驗的檢驗，但愛因斯坦對引力的研究結(jié)果絕不是終極，而是開始。廣義相對論對引力的描述在大尺度上是否成立？在極小距離內(nèi)是否成立？廣義相對論和量子力學(xué)如何統(tǒng)一？時空是否有高于四維的維度？這些問題都有待探索。“21世紀(jì)物理學(xué)呼喚下一個牛頓和愛因斯坦，構(gòu)建新的引力理論?！?
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