引力波之后下个伟大发现会是啥？暗物质最受关注

Daphane

來源: 新浪科技

新浪科技讯 北京时间1月9日消息，据国外媒体报道，2015年9月14日，美国中部标准时间凌晨3点50分，一丝微小的振动传递到了美国路易斯安那州利文斯顿的一台大型机器的4公里长臂上。极短的时间之后，同样的振动出现在了华盛顿州汉福德另一台同类机器的长臂上。最终，物理学家证实了这两个振动信号的本质：经过一个世纪的努力工作，科学家终于见到了引力波。他们发现，这些微小的振动来源于15亿年前两个黑洞的相互碰撞。　　就在两个月之后，激光干涉引力波天文台（LIGO）就第二次探测到了引力波。然后，在2017年，物理学家又第三次、第四次、第五次和第六次探测到了引力波。利用这些探测结果，他们解决了物理学中一个长期悬而未决的谜题，证实了引力遵循着爱因斯坦的广义相对论。2017年10月，3位引力波研究的先驱者——巴里·巴里什（Barry Barish）、基普·索恩（Kip Thorne）和莱纳·魏斯（Rainer Weiss）——因为这项关键性的工作而赢得了诺贝尔物理学奖。
　　然而，不要因为这些荣誉就觉得LIGO的成功来得很容易。当20多年前，LIGO团队刚开始建设用于探测的基础设施时，物理学界的许多人都与他们划清界限，有一个同行甚至作证反对国会对该项目进行资助。当然，所有伟大的物理发现都会不可避免地经历缓慢而曲折（而且耗费巨大）的过程，中间充满了科学家的努力和政治争论。下一个伟大发现肯定也是多种因素共同作用的结果，不仅需要科学上的努力工作，而且还要考虑政治和运气因素。因此，物理学家其实并不知道将会迎来什么样的突破。
　　不过可以确定的是，要取得重大发现就必须投入巨大的资金。美国芝加哥大学的天体物理学家乔舒亚·弗里曼（Joshua Frieman）表示，物理学家已经解决了许多简单一些的宇宙谜题，剩下的问题都足够复杂，需要大量资金来开发多种定制的设备。“我们是自身成功的受害者，”弗里曼说道。
　　那么，物理学下一个伟大的突破性发现会是什么呢？暗物质和暗能量的发现是最受关注的候选，还有一个是找到宇宙物质的来源。
　　从1999年就开始搜寻暗物质的芝加哥大学物理学家卢卡·格兰迪（Luca Grandi）说：“我认为人们只会在获得发现的时候想到科学家。”当还在意大利上大学的时候，格兰迪就加入了一个被称为“WArP”的暗物质合作项目，而该项目的使命还可以追溯到60多年前。1933年，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）首次预测了不可见的“暗物质”的存在，当时他注意到星系的旋转速度快于其预计质量应有的速度。几十年之后，薇拉·鲁宾（Vera Rubin）发现了更多暗物质存在于其他星系中的证据。物理学家现在认为，暗物质组成了约85%的宇宙质量。
　　然而，还是没有人在地球上观测到暗物质。格兰迪已经在这一领域从事了18年的研究，他尝试了好几种方法。2008年，还在美国做博士后的他与其他科学家共同建立了称为“DarkSide”的实验项目，目前该项目仍在进行中。不过，DarkSide实验采用液氩作为探测靶物质的方法已经不是很受青睐，许多研究者转而采用以液氙为基础的探测器，其精确度更高。
　　格兰迪目前的暗物质研究小组名为“Xenon1T”，已经在制定直到2030年代的计划——首先是把目前3吨的探测器扩展到8吨，最终达到50吨。探测器越大，捕捉到弱相互作用大质量粒子（weakly interacting massive particle，WIMP）的机会就越大。WIMP粒子是被大多数物理学家接受的一种暗物质粒子候选。今年41岁的格兰迪希望能一直坚持下去。“每一天都是不同的，因此我觉得很难会对这个领域感到厌倦，”他说，“你其实有很多的事情要做，从硬件到数据分析，再到解释和统计。因此总是充满了激情。”
　　这正是获得下一次发现所需要的：旺盛的、能承受数十年失败和官僚体制的好奇心。“我们现在谈论的是20年以上的时间跨度，从一个项目最初概念的提出，到真正采集数据，”弗里曼说，“这是一段很长的时间，对一个人来说，这是相当可观的一段职业生涯。”

银河系的艺术想象图。科学证据显示，在银河系中心存在一个超大质量黑洞。


　　弗里曼并不是在谈论寻找暗物质的努力，而是在说一个完全不同的物理学项目：位于智利的大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey telescope，LSST）。该望远镜于20世纪90年代提出，现在还在建设当中，计划在2022年最终建成，它将被用来寻找困扰物理学家多年的暗能量。天体物理学家认为暗能量导致了宇宙以加速的趋势膨胀——加速度之快以至于宇宙最终会在几十亿年之后分崩离析。他们将这一宇宙终极命运称为“大撕裂”（The Big Rip）。
　　LSST的观测将建立在“暗能量调查”（Dark Energy Survey）项目的基础上。该项目由弗里曼领导，从2013年至今已经对3亿个星系进行了监测。弗里曼从零开始为该项目筹集了5000万美元的资金，用于摄像机、软件和人工费用。
　　在美国国家科学基金会（National Science Foundation）2017年的80亿美元预算中，“暗能量调查”项目的资助金额只能算中等水平，而LIGO累积的开支已经超过10亿美元。然而，物理学家提出的许多项目也有着同样惊人的预算。例如，Xenon实验已经在美国和其他国家筹集了数千万美元的资金，用于建设实验设施。
　　对于这些数额，“你不应该感到意外，”斯坦福大学的物理学家乔治·格雷塔（Giorgio Gratta）说道。首先，你需要招募一个小组来开展工作。通常情况下，你可以从任职的大学获得一小笔资助，发展你的想法。接着，你要做出原型机或初步成果，并进行宣传，希望以此获得普通大众的关注。
　　这个过程需要许多年时间，最好的情况是：你具备了足够多的优势，促使政府的科学顾问决定推荐你的项目接受资助。这才是把一个项目从理论真正变成实际所需要的。
　　格雷塔将这一过程称为“社会化”，在大约5年时间里，他一直在做这样的尝试，为自己的项目筹集资金。该项目被称为“nEXO”，需要2亿美元进行实验升级。他希望通过这一项目找到无中微子双β衰变（neutrinoless double beta decay）的证据。无中微子双β衰变是一种放射性衰变，在衰变过程中，原子核内的两个中子同时变换成两个质子和两个电子——两个物质粒子变成四个，同时不产生任何反物质。
　　这是一个假想的过程，目前还未曾观测过。如果该过程真的发生，或许能说明宇宙创造的物质比反物质更多。而如果能证实这一点，或许我们就能回答最令人头疼的基本问题：为什么宇宙会存在？
　　格雷塔和他的同事们在过去几年中一直在“社会化”，目前研究小组已经有了大约150个成员，他们会在学术会议上大胆介绍nEXO项目。目前，研究小组已经有了实验设施的初步设计，即一个重约5吨的圆柱体液氙罐，加上许多精密的电子设备。他们对探测器的特殊部件进行了可行性研究，为设计提供了支持。
然而，格雷塔的研究小组并不能为资助机构提供成果保证。“我是说，你不应该去做那些你知道会有什么结果的实验，”格雷塔说道。他们有可能永远都探测不到无中微子双β衰变，但即使他们没做到，也不代表实验完全没有意义。物理学实验往往会促进一些意想不到的技术产生，例如核安全研究人员已经对暗物质探测器进行了改装，用于寻找丢失的放射性物质。
　　2015年，格雷塔认为自己终于迈出了重要一步。当时，在美国国家科学基金会和美国能源部资助的一次学术会议中，会务组在一份白皮书中宣布，格雷塔的研究将是一项国家优先项目。然而，即使有了学术会议的支持，格雷塔仍然没有获得资助。他甚至还没有撰写正式的资助申请，因为资助机构告诉他目前还不是合适的时机。大约三年前，他向美国能源部询问是否应该申请，但被告知晚点再来。2017年他又询问了一次，却被告知等到2019年左右再试试。
　　格雷塔指出，科学的意义正是在于探索未知。“如果真的一无所获会如何？”他说，“那我们就能了解，那里什么都没有。”他很直率地表达了对这一课题的看法：这是一个可能耗费数百万美元的任务，可能持续几十年时间，结果或许能回答最艰深的宇宙谜题，也可能只是一场空。