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暗物質探測、大地震機制、人工智慧機理、近地小天體調查……中國科協發布20大科技難題


文匯APP中國科學技術協會(中國科協)日正式發布年個重大科學問題和工程技術難題,暗物質探測、大地震機制、人工智慧機理、近地小天體調查等入選。...

- 2019年7月01日06時33分
- 科學文摘 / 文匯APP

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中國科學技術協會(中國科協)30日正式發布2019年20個重大科學問題和工程技術難題,暗物質探測、大地震機制、人工智慧機理、近地小天體調查等入選。

這20大科技難題分別是:

暗物質是種能探測到的基本粒子嗎


對雷射核聚變新途徑的探索

單原子催化劑的催化反應機理

高能量密度動力電池材料電化學

情緒意識的產生根源

細胞器之間的相互作用

單細胞多組學技術


廢棄物資源生態安全利用技術集成

全智能化植物工廠關鍵技術難題

近地小天體調查及防禦與開發問題

大地震機制及其物理預測方法

原創藥物靶標發現的新途徑與新方法

中醫藥臨床療效評價創新方法與技術

人工智慧系統的智能生成機理

氫燃料電池動力系統

可再生合成燃料

綠色超聲速民機設計技術

重複使用航天運輸系統設計與評估技術

千米級深豎井全斷面掘進技術

海洋天然氣水合物和油氣一體化勘探開發機理和關鍵工程技術

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什麼是暗物質?

暗物質是21世紀物理與天文學研究中最為重要的研究之一。有相當的跡象表明,暗物質可能是具有一種「弱相互作用的重粒子」。

我們可以從天上(衛星和氣球),地面(大型粒子加速器),和地下(直接探測器)來探測和研究這種超出粒子物理標準模型的新粒子。

人們對暗物質的研究已經有相當長的時間。20世紀30年代,荷蘭天體物理學家奧爾特指出:為了說明恆星的運動,需要假定在太陽附近存在著暗物質;而同期瑞士天文學家扎維奇發表的結果更驚世駭俗,他認為在星系團中,看得見的星系只占總質量的1/300以下,而99%以上的質量是看不見的。

23%的「未知」

自從牛頓發現了萬有引力定律以來,人們嘗試用萬有引力理論來解釋太陽系的行星運動規律。儘管萬有引力的解釋在開始時是非常成功的,但在解釋天王星運動時卻無法得到令人滿意的結果,天王星的運動規律和萬有引力的預言有明顯的差異。天王星的異常也許不是萬有引力規律出了問題,而是在太陽系中還存在一顆當時還沒有發現的行星,這顆行星的引力使得天王星的運動偏離了原來預期的軌道。根據預言,於1846年由J.G.Galle發現了這顆行星,即海王星。

由行星運動異常從而猜測到另外一顆未發現的行星的存在,非常類似今天我們關於暗物質的認識。

大約80年前,天文學家意外發現,一些星系團中的星系運動速度比預想中更快,光靠所看到的這些發光物質(當時人們還沒發現星系團中大量存在X射線氣體,它們才是星系團中普通物質的主體)所產生的引力場根本無法束縛住它們。因此,大家便猜測這些星系團中應該有種看不見的神秘物質,也一起貢獻著引力,拉住了星系。

雖然我們從來沒有直接『看到』宇宙中存在這種物質,但我們卻發現了由於這種物質的引力作用對於其他可見的物質運動的影響,這就是我們斷定宇宙中存在這種物質的理由。

這種物質的存在,在隨後幾十年中,又相繼被各種天文觀測間接證明。

目前被廣為接受的說法認為,它們是一種特殊的物質,很可能是一種不參與電磁相互作用的、我們已知的粒子(如質子、電子、中子等)之外的全新粒子。

這種物質不發光,也就是不發出電磁波,所以看不見。於是,我們就稱它為暗物質。與通常物質一樣,暗物質有引力作用。這個引力效應讓天文學家在宇宙空間發現暗物質占宇宙的23%,另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個世界的『常規物質』只占4%。

第一難題

暗物質是現代物理學的最大烏雲,研究它有助於了解星系的演化和物質構成規律


雖然,人們早已經猜測到暗物質可能存在,但一直以來從未明確探測到暗物質粒子,因此,還不能確定暗物質的性質。

目前,尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關,開展這一重大交叉學科的研究。

那麼,探測和研究暗物質,其意義何在?

暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現代物理學的最大烏雲,它將預示著物理學的又一次革命。

其實,很多物理學家和天文學家都開始有這樣的預感:今天物理學的情況與19世紀末20世紀初誕生相對論和量子論時非常類似。

歷史經過百年輪迴,人類對物質世界的認識又一次處在了十字關口,暗物質便是一個關鍵突破口。因此,可以這麼說,揭開暗物質之謎將是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論以及量子力學之後,人們認識自然規律的又一次重大飛躍。

對於宇宙中4%的物質,即所謂的通常物質,我們已經建立了一套非常完備的理論,即所謂標準模型,進行描述。但是標準模型並不能描述宇宙中暗物質的現象。這就表明,我們對於物質的基本組元、基本結構還有待進一步的深入研究。而暗物質是目前最明確的突破了標準模型的觀測現象,了解暗物質的性質就可能帶我們走進基本粒子更加深入細微的結構中,了解更加深刻、基本的物質構成的規律。在另一方面,了解暗物質的性質對於我們理解宇宙中像星系、星系團這樣的大尺度的結果是如何在宇宙演化過程中形成也同樣具有重要的意義。

捕捉「220千米/秒」

暗物質以220千米/秒高速運動、與普通物質相互作用弱難以探測,捕捉它需「上天入地」。

暗物質之所以「暗」,不僅是指它不發光,更重要的是它太難捉摸。

每天可能有幾萬億個暗物質以高速穿過你的身體,且未留下任何痕跡,讓你完全感受不到。56式半自動步槍子彈出膛的速度是每秒700米,而這些暗物質粒子卻是以每秒220千米的高速在運動,是前者的300倍。

如何「捕捉」住暗物質?

首先,科學家們曾對這種物質可能的形態做過很多理論上的猜測,例如,惰性中微子(Sterile neutrino)溫暗物質、引力微子(Gravitino)溫暗物質、軸子(Axion)冷暗物質等。

就目前而言,被研究得最多也是最被粒子物理學家看好的暗物質模型是所謂弱作用重粒子。主要因為這種粒子與普通物質有弱相互作用,所以具有可探測性。相比之下,對於許多其他的暗物質模型,由於其與普通物質的相互作用更弱,在目前的實驗水平下使得探測它們的可能性更小。

接著,科學家們又想了很多種實際探測的實驗辦法。

最初的辦法是天文觀測法,但是卻無法解答「暗物質是什麼」。後來,人們又採取間接探測和直接探測的辦法。前者,是探測暗物質相互碰撞產生的普通物質粒子信號,一般通過地面或太空望遠鏡探測;後者,則是用原子核與暗物質碰撞產生的信號。而在地面上,因為宇宙射線眾多,這些信號會對直接探測產生干擾,影響其鑑別能力。因此,地下實驗室可以幫助探測器「擋」去干擾,讓其「靜心」工作。

阿爾法磁譜儀2號(AMS—02)當然是目前靈敏度最高,也是最複雜、最昂貴的一台暗物質探測設備,代表了當今科學實驗的最高技術手段。在此之前,在不同的實驗上都看到了一些『反常』跡象,人們懷疑這些就是暗物質的信號,但是,由於實驗的靈敏度還不夠,這些跡象都還無法確認為暗物質的信號。

除了阿爾法磁譜儀,其他實驗,例如位於瑞士的大型強子對撞機進行的實驗,以及深埋在中國四川錦屏地下的暗物質探測器實驗等也還都在進行當中,他們都可能在不遠的未來有所新發現。


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