藏在科学“乌云”背后的美丽新世界

2015年11月06日 02:50第一财经日报

11月1日，国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷在第一财经研究院与“赛先生”主办的活动上，介绍了暗物质、暗能量及相关领域的研究进展

　　陈琳

　　100年前，爱因斯坦推导出广义相对论。从相对论出发，人们发现了“时间旅行”的可能性，领教了原子裂变的巨大能量，推演出宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等诸多科学奇景。相对论因此被称为“20世纪最美丽的思想”，和量子力学共同构成了现代物理学的两大支柱。

　　在相对论和量子力学诞生之前，光速问题和黑体辐射是笼罩在经典物理之上的两朵“乌云”。如今，经典物理头上的乌云已经散去，但科学界出现了新的“乌云”，也就是相对论未能解释的谜团——暗物质与暗能量。揭开暗物质和暗能量之谜，已经成为21世纪最热门的科学命题。

　　近日，由“赛先生”和第一财经研究院主办，在上海海洋大学图文信息中心举行的“百年相对论”系列活动，正围绕这一最前沿的科学研究命题展开。主讲嘉宾、国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷，以“聆听天籁：黑暗时期到今日宇宙的21cm探针”为题，介绍了暗物质、暗能量及相关领域的科研进展。主题演讲之后，载人潜水器“蛟龙号”5000米海试现场海试副总指挥、上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任崔维成，与陈学雷进行了主题为“科学探索的极限运动——太空VS深渊”的对话，鼓励在座青年学子继承科学家无畏的求知精神，积极投身科学探索事业。

　　用陈学雷的话来说，之所以将暗物质和暗能量称为现代科学顶上的“乌云”，是因为绝大部分科学现象，都可以在粒子物理标准模型的框架中得到满意的解释。这是现代物理学取得的巨大成就。但这一框架，并不适用于暗物质和暗能量。

　　爱因斯坦曾经试图根据广义相对论的方程推导整个宇宙的模型。他发现，在一个只有引力作用的模型中，宇宙是动态的，不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止，爱因斯坦在方程里增加了“宇宙常数”的概念。“宇宙常数”代表了一种假想的斥力，同万有引力相反，它随着天体之间距离的增大而增强，抵消引力的作用。不过，之后，因为当时的一些科学发现，爱因斯坦急忙将宇宙常数扔进了垃圾堆，并声称这是他“一生中犯的最大错误”。

　　然而，“宇宙常数”又因为暗物质和暗能量“复活”了。

　　暗物质是天文学家在观测宇宙时的意外“发现”。上世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·茨威基发表了惊人言论。根据他的推算，在星系团中，可见的星系占总质量的1/300，99%以上的质量是不可见的。这意味着，星系团中隐藏着某种不为人知的神秘物质。越来越多的观测让这个观点看起来越来越可信。

　　按照万有引力定律，当物体围绕引力中心旋转，离中心越远的物体，速度应该越低。但科学家在观测一些星系的运行时却发现，围绕星系中心运行的恒星，速度并不都是向外圈逐渐衰减的。恰恰相反，有些外圈恒星竟然和内圈恒星的运行速度差不多。由此，科学家推测，在外圈，只是可见的物质变少了，事实上，客观存在的物质数量和质量并没有减少，引力也没有变小。人类无法观测到的这些物质，也就是所谓的暗物质。

　　此外，天文学家还发现，宇宙不仅在膨胀，而且正以前所未有的加速度向外扩张。离我们越遥远的星系，远离我们的速度越快。也就是说，在宇宙中，应该存在着某种与引力相反的斥力量，“暗中”把不同的星系以加速膨胀的运动方式“撕扯”开来。由于它和暗物质一样是不可见的，因此科学家称它为暗能量。

　　近年来，科学家通过各种观测和计算证实，暗能量和暗物质不仅存在，且在宇宙中占主导地位。其中，暗能量的总量约达宇宙总量的73%，暗物质约占22%、普通物质仅约占5%。“我们一直以为，宇宙的秘密在满天繁星中。但现在，我们才发现满天繁星只是宇宙的少数，剩下的绝大部分都披着隐形外衣。这听上去怎么会不让人感到惊心动魄呢？”陈学雷认为，这就是求知路上的“悖论怪圈”。当我们以为对宇宙奥秘了解越来越多时，我们面对的未知也成正比增加。

　　而这些深远的未知，为陈学雷这样的科学家提供了前进和探索的动力。“探索暗物质和暗能量，揭开它们的神秘面纱，科学家面对的是一条漫长而艰辛的道路。”和国内外其他立志于揭开暗物质、暗能量的隐形外衣的科学家一样，之前，陈学雷对暗物质和暗能量已经做了大量理论研究，研究内容包括构造暗物质和暗能量的理论模型，以及观测检验的方法。而现在，他负责的“天籁计划”，将通过小尺度上中性氢的21cm谱线，去观测和寻找第一代发光天体的电离氢区。按照陈学雷的构想，他的团队从电离氢区的性质去区分暗物质星与普通的第一代恒星。“今天科学界所面临的状况，与19世纪末、20世纪初相对论和量子力学诞生前非常类似，拨开乌云，就会发现在其背后隐藏的美丽新世界。”