暗物质的天文学探测

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3 吴岳良 江苏宜兴人 理论物理学家 中国科学院理论物理研究所研究员 中国科学 院院士 现任中国科学院大学常务副校长 中国科学院卡弗里理论物理研究所所长等 职 主要从事基本粒子物理 量子场论及宇宙学的研究 卷首语 Foreword 科 技 导 报 探索暗物质属性 新物理的突破口 在过去的几十年 人类对于整个宇宙的认识取得了辉煌的成就 逐渐累积的大量天文观测数据表明了大量暗物质的存在 我们的宇 宙中 已知的基本粒子只占整个宇宙的不到5% 约25%是不发光的通过引力效应观测到的暗物质 但暗物质的属性是什么仍然是个未解 之迷 描述微观粒子相互作用和运行规律的粒子物理标准模型取得了巨大的成功 然而粒子物理标准模型里却没有暗物质粒子的候选 者 对暗物质的研究将极有可能孕育出新物理的重大发现 对于未来的基础科学发展具有重要的影响 正因为如此 目前世界各国都非 常重视对暗物质属性的研究 我国在 国家中长期科学技术发展规划纲要 国家 十一五 基础研究发展规划 等发展规划中也都把暗物 质问题列为重要的科学前沿问题 科技部 中国科学院 教育部 国家自然科学基金委员会等相关部门都对暗物质的探测和研究给予了高 度关注和重视 2010 年科技部优先启动了 973 计划 项目 暗物质的理论研究和实验预研 前沿交叉课题 笔者作为该项目的首席科学家 通过该项 目的实施 组织科研院所和大学的相关科研队伍 凝聚国内的优势力量 开展强强联合 该项目共设置 6 个子课题 1 由中国科学院理论 物理研究所周宇峰研究员负责的暗物质理论研究及相关新物理唯象 2 由中国科学院紫金山天文台常进研究员负责的暗物质空间探测 实验研究 3 由中国科学院高能物理研究所杨长根研究员负责的暗物质地下探测前沿技术预研 4 由中国科学院理论物理研究所蔡荣根 研究员负责的暗能量理论研究和地面探测方案研究 5 由上海交通大学季向东教授负责的暗物质吨级液氙探测器预研 6 由清华大学岳 骞教授负责的高纯锗阵列暗物质实验预研 该项目的特色和目标是要充分利用理论研究与实验探测设计相结合和多学科交叉融合的优 势 积极发挥理论的先行作用 突破探测器的关键技术 优化实验探测方案设计 为开展对暗物质的空间和地下探测 暗能量的精确测量 等提供可靠的物理依据和可行的实验设计及有效的探测方案 同时 紧密结合实验观测 基于对称性等基本原理和量子场论 建立自洽的 超越粒子物理和宇宙学标准模型 能解释暗物质 暗能量的可能的机制和理论 在 973 计划 和相关配套项目的支持和推动下 我国的暗物质实验探测和理论研究均取得了重大进展 一是在我国暗物质研究力量 方面 从弱到强建立了一支能够进行多学科交叉研究的理论和实验队伍 培养了一批优秀的年轻人才 二是在我国暗物质实验探测方面 从无到有形成了地下到空间的直接和间接暗物质探测两个大平台 突破了一系列关键探测技术 三是项目的实施促进了理论与实验结 合 各课题之间开展紧密而又实质性的交叉融合 四是形成了良好的学术氛围 不仅促进了项目内部之间的合作交流 还推进了国际合作 交流 极大地提升了项目的创新能力和国际竞争力 尤其在暗物质空间探测方面 研制了以硅阵列探测器和塑闪阵列探测器为径迹探测器 BGO 量能器为能量探测器的 DAMPE 暗物质 粒子探测卫星 通过中国科学院先导项目的特别支持 暗物质粒子探测卫星 悟空 已于 2015 年 12 月 17 日发射上天 成为我国首颗暗物 质探测卫星 也是我国首颗科学卫星 在暗物质直接探测方面 从无到有 在四川锦屏山建立了我国第一个深部地下实验室 以清华大学 为主的CDEX 实验组从地下实验室屏蔽体建设 20 g和1 kg质量的原型探测器性能研究 10 kg高纯锗阵列探测器模拟设计 液氩低温反 符合系统模拟设计和建设 液氩反符合探测器原型性能研究和液氩探测器关键技术研究 暗物质实验数据分析和物理分析等多个方面开 展了卓有成效的工作 实验组利用建成的 1 kg 高纯锗探测器开展暗物质实验研究 在低质量区取得了有国际影响的研究成果 PandaX 实验组利用气液氙两相型时间投影室的技术来探测暗物质 建造了一个容纳450 kg液氙的探测器 得到了基于37 kg液氙的暗物质探测 结果 高能物理研究所实验组研究发展了惰性液体探测器 晶体探测器及过热液滴气泡探测等新技术 建造了液氩探测器模型 用于研 究液氩探测器相关技术 改进和创新探测器设计 为液氩探测器在研究新物理的应用进行预研 在理论研究方面 中国科学院和高校的联合课题组提出了解释暗物质的模型和机制 开展了针对 PAMELA/ATIC/Fermi 和 AMS-02 以及其他可能的新实验结果的唯象分析和理论模型建立 发展了能统一解释直接和间接实验探测结果的理论机制 对暗物质模型的增强 机制及参数空间进行了完整分析 针对实验探测和设计 提供物理基础和理论依据 结合实验观测结果 基于对称性等基本原理和量子 场论 建立超越粒子物理标准模型的相关暗物质理论模型 暗物质理论研究为实验的开展发挥了重要的推进作用 做出了具有国际影响 的工作 当前暗物质的实验和理论研究发展十分迅速 全世界暗物质探测的实验多达数十个 国际竞争十分激 烈 中国已经具备了比较充分的实验和理论研究基础 有能力做出具有重要国际影响的工作 有理由相信 充 分利用中国天时地利的优势 我们将会在未来的暗物质理论和实验研究中取得更大的进展 吴岳良 中国科学院大学 北京 责任编辑 李娜 李娜

4 科技导报 简介 刊名题写 : 段云 2016 年 3 月第 34 卷第 5 期总第 491 期 主管 / 主办 中国科学技术协会 出版者 科技导报社 主 编 陈章良 社长 / 副主编 秦德继 yjzxqdj@163.com 副社长 / 副主编 史永超 shiyongchao@cast.org.cn 编辑部副主任 陈广仁 chenguangren@cast.org.cn 论文编辑 吴晓丽 wuxiaoli@cast.org.cn 刘志远 liuzhiyuan@cast.org.cn 王媛媛 wangyuanyuan@cast.org.cn 田 恬 tiantian@cast.org.cn 傅 雪 fuxue@cast.org.cn 韩星明 hanxingming@cast.org.cn 栏目编辑 李 娜 lina@cast.org.cn 祝叶华 zhuyehua@cast.org.cn 王丽娜 wanglina@cast.org.cn 本期执行责任编辑 刘志远 美术编辑 王静毅 wangjingyi@cast.org.cn 编务吕 佳 lvjia@cast.org.cn 杨小舟 yangxiaozhou@cast.org.cn 发行负责人 于 辉 yuhui@cast.org.cn 编辑部 kjdbbjb@cast.org.cn 订阅联系电话 kjdb@cast.org.cn( 网上订刊 ) 刊社地址 北京市海淀区学院南路 86 号 邮 编 网 址 博 客 订 阅 全国各地邮局 邮发代号 2-872( 国内 ), TP3092( 国外 ) 中国总发行 北京市报刊发行局 海外发行总代理 中国国际图书贸易集团有限公司 ( 北京市海淀区车公庄西路 35 号, 邮编 ) 广告经营许可证 京海工商广字第 0035 号 印刷装订 北京京华虎彩印刷有限公司 中国标准连续出版物号 ISSN CN /N 国内售价 元人民币 / 期 ; 元人民币 / 年 国外售价 美元 / 期 ; 美元 / 年 创刊于美国 鸣 谢 感谢中国科学院院士 中国工程院院士审读每期 科技导报 感谢中国科协办公厅 组织人事部 国际联络部 学会服务中心的大 力支持 中文核心期刊 中国科技论文统计源期刊 ( 中国科技核心期刊 ) 中国科学引文数据库源期刊 中国精品科技期刊 RCCSE 中国核心学术期刊 中国学术期刊文摘 源期刊 美国 CA CSA Ulrich 收录期刊 英国 SA/INSPEC CABI 收录期刊 俄罗斯 AJ/VINITI 收录期刊 波兰 IC 收录期刊 1978 年 11 月, 由全美华人协会波士顿分会发起, 美 籍华裔科学家聂华桐 潘毓刚 钱宁等提议创办, 并得到中美两国数百位 著名学者的热烈响应和大力支持, 陈省身 杨振宁 张明觉等著名华裔科学家受聘担任编委, 美籍华裔学者钱宁教授出任首任主编 1980 年 1 月, 科技导报 创刊号在美国出版, 在中国大陆发行, 销售约 10 万册, 引起社会轰动 创刊号的 发刊词 将办刊宗旨确定为 : 促进中外科技学术交流, 探讨现代化的道路和方法由于没有固定经费来源并缺乏专职编辑队伍,1980 年出版 2 期 1981 年出版 1 期后, 遂停刊 发展于中国 1985 年春节, 在海内外各界人士强烈要求下, 科 技导报 复刊 1986 年 1 月, 科技导报 归属中国科协主管 ;1991 年 1 月, 由中国科协主管 主办, 成为中国科协学术会刊 1994 年 1 月, 朱光 亚院士担任主编 ;2003 年 7 月, 冯长根教授接任主编 ;2014 年 8 月, 陈章 良教授接任主编 自 2004 年 7 月起, 科技导报 调整办刊定位, 转变为以发表自然科 学各学科专业原创性研究论文为主的学术性期刊, 力图办成一份有影响 有特色 有品位的高层次 高水平 高质量学术期刊 主要特色综合性 : 发表内容涵盖自然科学所有领域 ; 评论性 : 评论重大科技事件 热点 人物 现象 ; 新闻性 : 报道国内外重要科技新 闻 事件 活动 进展 ; 学术性 : 发表原创前沿研究论文和综述 主要栏目有 : 卷首语 本刊专稿 专题论文 研究论文 综述文章 科 技风云 科技事件 科技工作大家谈 科技界声音 科技新闻热点排行 科技期刊亮点 科学共同体要闻 书评 图书推介 科技纵横捭阖 职场 科技基金 读者之声等 收录和荣誉 版权声明 第三届中国出版政府奖先进 出版单位奖 中国科技期刊方阵 双奖期刊 全国优秀科技期刊评比一等奖 全国优秀科技期刊奖 作者所投稿件应没有侵犯他人著作权或其他权利的内容, 自发表之 日起, 其专有出版权和网络传播权即授予本刊 未经许可不得转载

5 KEJI DAOBAO 中国科学技术协会主办 2016 年第 34 卷第 5 期 总第 491 期 半月刊 1980 年创刊 本期 2016 年 3 月 13 日出版 目 次 点击论文或者栏目标题即可跳转至相应页面 卷首语 研究论文 1 53 蒸发岩盆地油气藏的形成 赵小庆 郑绵平 60 西藏班戈湖淡化湖水的自然蒸发和析盐规律 余疆江 郑绵平 伍倩 王云生 乜贞 卜令忠 67 五大连池尾山地区存在干热岩资源的可能性探讨 李胜涛 张森琦 贾小丰 田蒲源 金晓琳 张超 74 磐安结构性黄土的构度及动强度衰减特性 孙萍 李荣建 刘军定 张媛 张帅 79 短期模拟微重力对SD乳鼠海马组织细胞的效应 曾凡 王馥丽 王香寒 王德美 高海军 邓玉林 庆宏 84 燃煤电厂电除尘 PM10 和 PM2.5 的排放控制 VII:以 MW 机 组为例分析讨论电除尘选型和改造 梁志宏 李栓宝 陈俊峰 张金海 陈宝瑞 薛祥忠 王仕龙 闫克平 89 车载武器界面多任务下的目标辨识绩效 薛庆 王萌 刘敏霞 洪玮博 93 反应堆停冷系统阀门接管失效分析 王斐 朱伟 温榜 蒋国富 唐洪奎 尹春艳 彭艳华 任亮 97 4G LTE标准演进及其必要专利竞争态势分析 高芳 赵志耘 张旭 赵蕴华 探索暗物质属性 新物理的突破口 吴岳良 科技风云 7 十大 榜单与创新精神 鞠强 科技事件 9 寨卡 成全球紧急公共卫生事件 王微 科技建议 12 国家自然科学基金间接费用政策解读 唐福杰 郭蕾 高素青 郑仲文 专题 暗物质探测 专题论文 14 暗物质的天文学探测 苏萌 22 悟空 玉宇探测暗物质 暗物质粒子探测卫星简介 常进 冯磊 郭建华 范一中 26 基于地下实验室的暗物质直接探测实验 赵伟 程建平 岳骞 访谈 32 陈学雷 上天入地 搜寻暗物质 祝叶华 35 周宁 LHC 重出江湖 探寻暗物质 祝叶华 38 天河二号 助力探寻暗物质 祝叶华 科学共同体推介 106 罕见病需要世界的关注 田恬 科学人物 107 永远怀念我的老师谢家麟先生 高杰 科技职场 110 如何善待中国国家留学基金委项目 吴建永 科技纵横 书评 创业维艰写沧桑 功在千秋放光芒 陈仁全 引力波之后的下一个重大科学目标 暗物质 谭宝林 赛先生 专栏 42 宇宙的阴暗面 暗物质与暗能量 David N. Spergel 肖智 译 综述文章 45 农业干旱遥感监测指数及其适用性研究进展 宋扬 房世波 卫亚星 特别栏目 热点排行 科技界声音 科学共同体要闻 国内期刊亮点 国外期刊亮点 图书推介 期刊基本参数 CN /N*1980*TP*A4*112*zh*P* 37.50*10000*13*

6 Volume 34 Issue 5 (Sum 491) 13, Mar., 2016 (Established 1980) Foreword 1 To explore the properties of dark matter is the breakthrough of new physics WU Yueliang News Around 7 Top 10 lists and innovative spirit JU Qiang News Focus 9 WHO declared a Public Health Emergency of International Concern because of virus outbreaks of Zika WANG Wei Suggestion 12 Analysis of the indirect cost policy of NSFC TANG Fujie, GUO Lei, GAO Suqing, ZHENG Zhongwen Exclusive: Dark matter detection Special Issues 14 Astronomical approach of dark matter detection SU Meng 22 Search for dark matter with Wukong, an introduction to the dark matter particle explorer CHANG Jin, FENG Lei, GUO Jianhua, FAN Yizhong 26 Dark matter direct detection experiments in underground laboratory ZHAO Wei, CHENG Jianping,YUE Qian Interview 32 History and present state of searching dark matter: Chen Xuelei ZHU Yehua 35 Restart LHC to detect dark matter: Zhou Ning ZHU Yehua 38 "Tianhe-2" help explore dark matter ZHU Yehua Perspectives CONTENTS 60 Natural evaporation and crystallization of Bangor salt lake water in Tibet YU Jiangjiang, ZHENG Mianping, WU Qian, WANG Yunsheng, NIE Zhen, BU Lingzhong 67 Possibility of hot dry rock resources in Weishan volcano area of Wudalianchi LI Shengtao, ZHANG Senqi, JIA Xiaofeng, TIAN Puyuan, JIN Xiaolin, ZHANG Chao 74 Structural index and dynamic strength attenuation characteristics of structural loess in Pan'an SUN Ping, LI Rongjian, LIU Junding, ZHANG Yuan ZHANG Shuai 79 Effects of short-term simulated microgravity on hippocampal tissue blocks and primary cells of neonatal SD rats ZENG Fan, WANG Fuli, WANG Xianghan, WANG Demei, GAO Haijun, DENG Yulin, QING Hong 84 PM10 and PM2.5 emission control by electrostatic precipitator (ESP) for coal-fired power plants VII: ESP sizing and refitting with MW boilers LIANG Zhihong, LI Shuanbao, CHEN Junfeng, ZHANG Jinhai, CHEN Baorui, XUE Xiangzhong, WANG Shilong, YAN Keping 89 Target identification performance of multitasking vehiclemounted weapon interface XUE Qing, WANG Meng, LIU Minxia, HONG Weibo 93 Failure analysis for valve nozzle of shutdown cooling system in reactor WANG Fei, ZHU Wei, WEN Bang, JIANG Guofu, TANG Hongkui, YIN Chunyan, PENG Yanhua, REN Liang 97 Standard evolution and competition analysis of standard essential patents for 4G LTE GAO Fang, ZHAO Zhiyun, ZHANG Xu, ZHAO Yunhua Scientific Community Promotion 106 Rare disease, concern needed all over the world TIAN Tian Scientists 107 Cherish the memory of my Professor Xie Jialin GAO Jie Careers 40 Dark Matter: The next major scientific goal after gravitational waves TAN Baolin 110 How to make a good use of a Chinese Scholarship Council fellowship WU Jianyong 42 The dark side of cosmology: Dark matter and dark energy David N. Spergel, XIAO Zhi trans 111 Hard beginning makes vicissitudes great achievements last long CHEN Renquan Special Column of Science Reviews 45 Comparison of typical remote sensing drought indexes and their adaptability in agriculture SONG Yang, FANG Shibo, WEI Yaxing Papers Book Reviews Columns 5 Top News 8 Voice of Scientific Community 10 Scientific Community 104 Domestic Journal Highlights 105 International Journal Highlights 112 Books Recommendation 53 Evaporite basin reservoir formation ZHAO Xiaoqing, ZHENG Mianping Serial parameters: CN /N*1980*TP*A4*112*zh*P*$37.50*10000*13*

7 科技导报 热点排行 新闻时段 新闻时段 至 排行依据 排行依据 遴选出的 30 家核心媒体报道频次 家核心媒体报道频次 1 科技部发布 2015 年度中国科学十大进展 图片来源 新华社 年下半年发射 科技部发布 2015 年度中国科学十大进展 2 月 25 日科技部在京公布 2015 年度中国科学十大进展 实现单光子多自由度量子 隐形传态 探测到宇宙早期最亮中心黑洞质量最大的类星体和解析细胞炎性坏死的关键 分子机制等研究入选 按照得票排序 2015 年度中国科学十大进展分别为 实现单光子多自由度量子隐形 传态 理论预言并实验验证外尔半金属的存在 揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征 实现对反物质间相互作用力的测量 探测到宇宙早期最亮中心黑洞质量最大的类星体 发现东亚最早的现代人化石 揭示人类原始生殖细胞基因表达与表观遗传调控特征 解 析细胞炎性坏死的关键分子机制 研制出碳基高效光解水催化剂 实现对单个蛋白质分 子的磁共振探测 天宫二号和神舟十一号 [核心媒体报道频次 23/30] 中国载人航天工程新闻 发言人 2 月 28 日表示 中国 将于 2016 年中至 2017 年上 半年间 组织实施载人航天工 程空间实验室任务 为实现上述任务目标 中 国载人航天工程新研制了天 宫二号空间实验室 长征七号 运载火箭和货运飞船 新建了 海南文昌航天发射场 需要组 天宫二号和神舟十一号计划 织实施 4 次发射飞行任务 发射计划表 图片来源 新华社 目前 空间实验室任务各项准 备工作正按计划抓紧开展 其中 将由 2 名航天员组成神舟十一 号飞行任务乘组 航天员正在进行任务训练 天宫二号空间实验 室和神舟十一号载人飞船 以及配套的 2 枚长征二号 F 运载火箭 正在进行总装测试 全新研制的长征七号运载火箭 正在进行总 装 货运飞船已经基本完成研制工作 正在进行第一艘货运飞船 天舟一号的总装测试 各类空间试验载荷 已完成产品生产 和相关准备 文昌发射场 酒泉发射场 测控通信系统和着陆场系 统 正按计划进行任务准备工作 3 [核心媒体报道频次 25/30] 4 中国科学院成果入选 MIT Technology Review 十大技术突破 [核心媒体报道频次 21/30] 2 月 23 日 MIT Technology Review 公布了 2016 年十大技 术突破 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞及 其团队关于植物基因精准编辑技术的研发成果名列其中 MIT Technology Review 指出 该技术能够精准 高效 低 成本地进行植物基因组编辑 有望用于生物安全的作物遗传改良 和定向育种 提高农业生产率 满足日益增长人口的需求 高彩 霞团队主要贡献在于建立成熟 高效的农作物基因精确编辑技术 平台并对重要农作物的定向育种进行了成功尝试 取得了一系列 世界领先的成果 5 世界首个折叠发射望远镜完成主镜拼装 [核心媒体报道频次 19/30] 美国学者发现 印第安人或是殷商后裔 [核心媒体报道频次 22/30] 2 月 27 日消息称 一名来自美国伊利诺伊州的化学家 业余 的铭文研究者鲁斯坎普在美国亚利桑那州 加州 新墨西哥州 俄 克拉荷马州 犹他州和内华达州的岩壁上发现了 84 处殷商甲骨 文或中国象形文字遗迹 在他的发现中 一段镌刻在亚利桑那州 岩壁的古铭文传递了这样的信息 我们离开已经 10 年了 前往太 阳之屋的旅程已经完成 该宣布回归了 我们一起完成了旅程 鲁斯坎普认为 这些美洲印第安人遗留的甲骨文可以追溯至公元 前 1300 年 比哥伦布发现美洲大陆早了 2800 年 因此 他称美 洲印第安人是中国殷商后裔 虽然不少业界人士批驳称 鲁斯坎 普的发现缺乏考古依据作为支撑 但也有相当一部分学者认为 这一有趣的发现或将改写美洲印第安人的历史 詹姆斯 韦伯太空望远镜研发人员与望远镜模型的合影 图片来源 NASA 2 月 26 日消息称 美国戈达德航天飞行中心完成主镜拼装的 詹 姆 斯 韦 伯 太 空 望 远 镜 James Webb Space Telescope JWST JWST 被很多人称为哈勃望远镜的继任者 其镜面直径 达 6.5 m 接近哈勃望远镜的 3 倍 JWST 的主要科学目标之一是 宇宙早期形成的第一批恒星和星系 因此需要更加强大的集光能 力来探测暗弱天体 而且望远镜的分辨率由它工作的波段和镜 面直径共同决定 5

8 6 中国自主研发复合型机器人开始批量生产 [核心媒体报道频次 19/30] 2 月 23 日消息称 隶属于中国科学院的新松机器人自动化公 司在沈阳宣布 其自主研发生产的复合型机器人已经开始批量生 产 3 个多月时间就销售 40 余台 市场前景十分广阔 复合型机器人是手脚 2 项功能集于一身的新型机器人 在以 往机器人的世界里 通用工业机器人被称为机械臂 用以替代人 胳膊的功能 而智能移动机器人 AGV 则用以替代人腿脚的功 能 复合型机器人则是手脚并用 将 2 种功能组合在一起 新松此次推出的复合型机器人为国内首创 与国际领先机器 人厂商推出类似产品的时间几乎同时 在精度 速度等指标上不 相上下 这款机器人不但集成了智能移动机器人 通用工业机器 人等工作单元 同时还采用了视觉误差补偿等技术 满足了对整 个机械结构运动精度的苛刻要求 避免了多个运动单元的误差累 积而造成的精度不达标 7 中国冷冻保存时间最长冻融胚胎试管婴儿在西安出生 [核心媒体报道频次 19/30] 2 月 26 日 消息称 一位女 士 12 年前在第 四军医大学唐 都医院冷冻保 存的胚胎 经过 解冻复苏后成 功孕育而生 第四军医大学 唐都医院称 这 是目前中国冷 冻保存时间最 中国冷冻保存时间最长冻融胚胎试管婴儿 长出生的冻融 图片来源 中国新闻网 胚胎试管婴儿 胚胎冷冻技术是辅助生殖技术重要的衍生技术之一 是将在 试管婴儿新鲜取卵治疗周期中 胚胎移植后剩余的可利用胚胎进 行冷冻保存 并在适当的时机进行胚胎解冻 将冻融胚胎移植使患 者受孕的一项技术 8 9 北京科技奖年轻获奖者比例创纪录 [核心媒体报道频次 17/30] 年北京市科技奖获奖人数统计 图片来源 京华时报 2 月 19 日消息称 2015 年度北京市科学技术奖揭晓 共有 188 项成果获得北京市科学技术奖 其中一等奖 29 项 二等奖 54 项 三等奖 105 项 获奖项目中 医药卫生 食品安全 交通等民 生项目 95 项,占 50.5% 获奖人员中 45 岁以下青年科技人员比例 高达 68.2% 为历年之最 在所有获奖者中有 6 位 90 后 最年轻的 仅 25 岁 10 中国完成寨卡病毒全基因组序列测定 [核心媒体报道频次 X/30] 2 月 24 消息称 解放军军事医学科学院微生物流行病研究所 与相关单位密切合作 于 2 月 21 日直接从输入性感染病例患者尿 液中获得寨卡病毒全基因组序列 这是中国首次获得寨卡病毒全基因组序列 也是全球首次直 接从患者尿液中获得病毒全基因组 该病毒基因组全长 10.8 kb 系统进化分析表明 属于亚洲世系 与巴西 苏里南 波多黎各 等美洲国家流行毒株同源性为 99.7% 核苷酸序列比对发现 20 个 突变位点 其中 5 个突变位点导致氨基酸改变 中国科学家首次用小鼠干细胞体外制造出功能精子 [核心媒体报道频次 17/30] 2 月 25 日消息称 南京医科大学沙家豪和中国科学院动物研 究所周琪院士 赵小阳研究组首次实现小鼠胚胎干细胞体外分化 并获得具有功能的精子细胞 这被认为是干细胞研究的一项重 要进展 为无精子症男性生育后代带来希望 该研究组完全在体外环境中培养出功能精子 他们首先将 胚胎干细胞分化得到原始生殖细胞样细胞 然后将其与小鼠睾丸 体细胞混合培养 并添加有助于精子产生的细胞因子及激素 使 生殖细胞完成减数分裂 体外分化获得具有功能的精子 该研究 使用的是小鼠的胚胎干细胞 但此前的研究曾证明 利用成体细 胞培育的小鼠诱导多功能干细胞与胚胎干细胞具有同等的发育 能力 因此他们认为 诱导多功能干细胞有可能替代胚胎干细胞 用于制造精子 从而避免有关伦理问题 胚胎干细胞来源于胚 胎 而诱导多功能干细胞可源于皮肤细胞等 6 精子细胞的体内发生和小鼠胚胎干细胞在体外制备精细胞的路线 图片来源 Cell Stem Cell 编辑 祝叶华 祝叶华

9 科技导报 科技风云 十大 十大 榜单与创新精神 岁末年初各行各业都会有一阵盘点 来 随着我国科研实力的不断提高 十 和有效 这样人们使用智能手机也会变 旧年 展望新年的热潮 各大榜单纷纷发 大进展 已经成为比肩国际顶尖水平的 得更加容易 百度首席科学家吴恩达 吴恩达 布 各种奖项也陆续揭晓 不过 也有一 科研成果 并且得到国际科学界越来越 Andrew Ng 就表示 随着语言识别变 些评选直到 2 3 月份才公布结果 比如大 多的认可 得更值得信赖 我希望它可以融入到我 名鼎鼎的奥斯卡奖 2016 年 2 月底 备受 科学的不断进步深刻改变了我们对 们的生活中 科技界瞩目的两个新鲜出炉的 十大 让 世界的认识 而技术的不断发展则影响 在这十大突破技术中 有一个值得我 我们再次将目光投向科技的现状与前 了人类的生活方式 由麻省理工学院主 们注意的现象 就是其中 3 项 可回收火 景 同时感受创新的巨大魅力以及未来 办的著名科技期刊 MIT Technology Re 箭 SolarCity 的超级工厂和特斯拉自动驾 的无限可能 view 近 日 评 选 出 2016 年 十 大 突 破 技 驶仪 都与 Elon Musk 有关 作为 PayPal 2 月 25 日 科技部基础研究管理中心 术 这十项技术分别为 免疫工程 精确 的联合创始人 Elon Musk 在开启电子支 发布 2015 年度 中国科学十大进展 评选 编辑植物基因 语音接口 可回收火箭 付时代后 又在科技界四面出击 并且取 结果 十项入选成果分 得了令人惊讶的成 别为 实现单光子多自 就 除此这次上榜的 科学研究的目的不是获奖 技术进步的意义也不在入榜 但 由度量子隐形传态 理 3 项技术外 他还致力 是一些重要榜单却可以为我们勾勒出科技发展的现状与未来 同 论预言并实验验证外 于开发名为 Hyperloop 时展现出创新精神的巨大价值 的超级高铁 这种时 尔半金属的存在 揭示 速 超 过 1000 km/h 的 埃博拉病毒演化及遗 高铁一旦开发成功 传多样性特征 实现对 知识分享型机器人 DNA 应用商店 So 从洛杉矶到旧金山的通行时间将会缩短 反物质间相互作用力的测量 探测到宇 larcity 的超级工厂 Slack 通信软件 特斯 到仅有半个小时 无疑是对现有交通方式 宙早期最亮中心黑洞质量最大的类星 拉自动驾驶仪以及空中取电 在过去的 的一次颠覆 而在这一系列科技成果的 体 发现东亚最早的现代人化石 揭示人 一年里 这十项技术已经到达一个里程 背后 Elon Musk 及其团队始终怀有改变 类原始生殖细胞基因表达与表观遗传调 碑的阶段或者即将到达这样一个阶段 世界的愿景及强烈的创新精神才是最值 控特征 解析细胞炎性坏死的关键分子 在未来很有可能解决人类关切的重大问 得中国科技界借鉴的地方 机制 研制出碳基高效光解水催化剂 实 题 2 月 23 日 MIT Technology Review 3 月 5 日 第十二届全国人大四次会 现对单个蛋白质分子的磁共振探测 2 月 MIT Technology Review 从 2001 年 议在北京开幕 提交会议审议的第十三 25 日 科技导报 网站 开始 每年都会公布 十大突破技术 并 个五年规划纲要草案将创新驱动发展置 年度 中国科学十大进展 评选活动 预计其对人类生活和社会的重大影响 于优先位置 在草案列举的今后五年中 始创于 2005 年 最初由科技部基础研究 这些技术代表了当前世界科技的发展前 国重点突破的基础前沿科学领域中 宇 管理中心和科技导报社共同举办 曾命 沿和未来发展方向 反映了近年来世界 宙起源 居首 其他还包括 物质结构 名为 中国基础研究十大新闻 此次是 科技发展的新特点和新趋势 该杂志主 生命演化 和 脑与认知 等 3 月 5 日新 第 11 届遴选活动 本次入选的成果涵盖 编 Jason Pontin 这样说道 突破性技术的 华社 这充分反映了国家对基础研究 量子物理 天体物理 古人类学和分子生 定义非常简单 就是能够给人们带来高 的重视 也说明基础研究对科技发展和 物学等领域 代表了 2015 年中国科学发 质量的运用科技的解决方案 社会进步的重大意义 正如全国政协委 展的最高水平 以 实现单光子多自由 这次榜单公布后 我们发现其中不 员 中国科学院高能物理研究所研究员 度量子隐形传态 为例 这是自 1997 年国 乏中国科研机构和研究人员的身影 中 张新民 张新 民 所说 没有基础研究 创新只是 际上首次实现单一自由度量子隐形传态 国科学院遗传与发育生物学研究所研究 小打小闹 以来的又一重大突破 为发展可扩展的 员高彩霞 高彩霞及其团队在植物基因精准编辑 中国的科技发展已经走到了一个关 量子计算和量子网络技术奠定了坚实的 技术领域有重要工作 该技术能够精 键节点 只有重视基础研究 发扬创新精 基础 同时再次表明潘建伟 潘建伟院士领衔的 准 高效 低成本地进行植物基因组编 神 中国才能完成从 科技大国 向 科技 团队站在世界量子信息研究领域最前沿 辑 有望用于生物安全的作物遗传改良 强国 的转变 我们就有理由期待 中 的位置 和定向育种 提高农业生产率 满足日益 国十大科学进展 的含金量会越来越高 这些成果在国际上同样受到广泛关 增长人口的需求 高彩霞团队的主要贡 甚至包括几项诺贝尔奖级别的成果 而 注 例如 理论预言并实验验证外尔半金 献在于建立成熟 高效的农作物基因精 国外的各类 十大 榜单中也会有更多中 属的存在 此前已经入选英国 物理世 确编辑技术平台并对重要农作物的定向 国科研机构及研究人员的身影 界 Physics World 评选出的 2015 年十 育种进行了成功尝试 取得了一系列世 文//鞠强 大突破 以及美国物理学会 APS 评选出 界领先的成果 此外 百度开发的深度 责任编辑 李娜 李娜 的 2015 年世界物理八大进展 近年 语言识别技术使语音接口变得更为实用 7

10 科技界声音 科技领域就是一个无形的竞技场 真正的核心 关键技术是买不来的 是市 场换不来的 中国要在新一轮科技革命 和产业变革中走在前头 就要在一批核 心 关键技术上取得突破 始终抓住科 技创新成果工程化产业化这个关键 特 别是实现重点产业关键核心技术的工程 化产业化 把创新成果尽快转化为现实 生产力 实现科技创新引领支撑产业发 展 成为经济发展的内生驱动力 中国工程院院士 中国工程院院士 中国工程院院长 周济 人民日报 [ ] 兴趣是一种思想 特长是一种技能 把两者融合起来 才能不断走向成功 中国科学院院士 中国科学院院士 中国科学技术 大学地球和空间科学学院副院长 郑永飞 中国青年报 [ ] 航天应用不能总是 高大上 应该 降低门槛 使其平民化 这既需要协会推 广相关技术 还要加大对遥感的科普宣 传 国防科工局系统工程一司司长 李国平 新华社 [ ] 用城市通风廊道来治霾很难标本兼 治 规划实施与目标达成具有较大不确 定性 规划 设计 立项 审批 实施 建设 和使用等流程 缺少系统性的政策保障 和参照标准 中国城市科学研究会数字城市工程 研究中心副主任 徐振强 科技日报 [ ] 与德国 工业 4.0 相比 中国的任务 相对更艰巨一些 既要补 2.0 的课 补 3.0 的 课 还 要 追 4.0 不 管 是 中 国 制 造 2025 还是 工业 4.0 共同关注的重点 是新一代信息通讯技术的推广和应用 将会促进工业行业发生颠覆性 革命性 的变化 工业和信息化部部长 苗圩 新华社 [ ] 工程科学研究仅仅有理论是不够 的 需要把理论成果应用于解决实践中 8 图片来源 中国教育报 的问题 把科研成果转换成生产力 中国工程院院士 中国工程院院士 湖南大学 风工程试验中心主任 陈政清 中国教育报 [ ] 要成为一个不折不扣的研发大国 首先体现在重视人才 包括培养人 吸引 人和留住人 3 方面 其次是不断优化研发 经费的分配 还有就是培育有利于人类 生态文明发展的价值观 这样才能使我 国从研发大国迈向研发强国 中国科学技术发展战略研究院 副院长 武夷山 科技日报 [ ] 未来引力波的探测 中国应有一席 之地 有自己的引力波探测平台 有自己 的引力波天文台 天琴计划 将成为中 方主导的国际合作项目 集聚全世界最 优秀的科学家朝着同一个目标努力 中国科学院院士 中国科学院院士 中山大学校长 罗俊 中国教育报 [ ] 近些年 随着国家各类人才计划 特 别是中组部 千人计划 的实施 大批来 自国际一流科研单位的人才回到国内 他们了解国际合作运行模式 能够参与 高层次合作 同时 中国科学家在其中 扮演的角色也有所提升 过去的合作以 跟踪 学习 模仿为主 现在逐步并驾齐 驱 武汉大学科学技术发展研究院 副院长 侯祚勇 人民日报 [ ] 长期以来 规划环评 编而不评 未 评先批 评而不用 建设项目 未批先 建 擅自变更 未验先投 等现象屡禁 不绝 既是环境污染 生态破坏和突发环 境事件的罪魁祸首 也是布局混乱 产能 过剩 开发无序的主要原因 必须尽快建 立责任追究体系 要改变这样的状况 一方面要加大对相关人员的问责力度 一方面要加大信息公开的力度 让民众 参与环评监督 环境保护部副部长 潘岳 中国青年报 [ ] 一个国家科技越是发达 创新的成 果越是丰富 成果转化越是顺畅 它的产 业必然会越发达 经济效益也越显著 中国科学院院士 中国科学院院士 北京大学遥感与 地理信息系统研究所所长 童庆禧 中国科学报 [ ] 投入基础研究首先要完善支持基础 研究的体制机制 在新的科技计划体系 当中 有 3 个重要的部分支持基础研究 第一个是加强面上的研究 自然科学基 金重点支持科技工作者的自由探索 聚 焦重大需求 对面向未来的量子通讯 生 命科学 干细胞 环境保护等方面基础研 究进行重点支持 在 全链条一体化 的 设计中 重点研发计划支持经济社会包 括解决产业领域的关键技术问题 并统 筹考虑基础研究 科学技术部部长 万钢 中国青年报 [ ] 国家计划管理改革的核心任务就是 要按照全面落实创新驱动发展战略的要 求 提高科技计划的效率 增强创新能 力 建立公开统一的国家科技管理平台 构建新的科技计划体系框架和布局 着 力解决制约我国科技计划引领带动创新 发展的深层次重大问题 遵循科技发展 的客观规律 发挥科技人员的积极性和 创造性 更好地推动以科技创新为核心 的全面创新 科学技术部副部长 侯建国 科技日报 [ ] 编辑 祝叶华 祝叶华 图片来源 中国科学报

11 科技导报 科技事件 寨卡 寨卡 成全球紧急公共卫生事件 西非埃博拉疫情蔓延的阴云还未完 全散去 寨卡病毒又如暴风骤雨般袭击 了美洲大陆 2016 年 2 月 1 日 世界卫生 组织召开紧急会议 宣布寨卡病毒的暴 发和传播已经构成全球突发公共卫生事 件 此时 距该组织宣布埃博拉疫情为 国际卫生紧急事态仅仅过去一年半的时 间 与前者相比 寨卡病毒似乎更为温 和 鲜有致死病例 但它与新生儿小头症 和其他神经系统并发症 非同寻常 的联 系 更加引人忧心 已有证据显示寨卡病毒或致婴儿小头症 截至 2 月 19 日 寨卡病毒已在美洲 28 个国家和地区出现本地传播 共有 36 个国家向世界卫生组织报告了寨卡病毒 确诊病例 该组织美洲区官员西尔万 西尔万 阿尔迪吉耶里预计 寨卡病毒在美洲将 阿尔迪吉耶里 感染 300 万~400 万人 其中多数感染者可 能没有症状 也就是说 很多人压根儿 就不知道自己是否感染了该病毒 首都 医科大学附属地坛医院教授王凌航 王凌航介绍 说 寨卡病毒感染者中只有 20% 25%的 人会出现临床症状 包括发热 皮疹和肌 肉 关节疼痛等 也可伴有结膜炎 眼后 痛和呕吐等表现 一般都比较轻 而且通 常在 2 7 天后自愈 需要住院的重症比 例很少见 病死率很低 的确 在意识到 其可能引发并发症之前 寨卡一直被视 为良性病毒 而没有引起人们关注 然 而 一旦孕妇被感染 则很有可能增加新 生儿患小头症的风险 以及可能引起的 格林-巴利综合征才是人们的关切所在 小头症是一种神经发育障碍 患有 小头症的婴儿和儿童通常会在生长过程 中遇到大脑发育障碍 有严重的学习困 难 易发癫痫 肢体难以协调等问题 甚 至可能过早失去生命 当前 对于新生 儿小头症除了观察和手术辅助治疗之 外 还没有治愈的办法 美国疾病控制和预防中心主任托马 托马 斯 弗里登 弗里登在美国众议院一个听证会上 说 他们发现了 迄今表明寨卡导致小头 症的最有力证据 此前 该机构与巴西 科研人员合作 在两名出生不到 24 小时 死亡的巴西小头症婴儿的脑组织中发现 了寨卡病毒 另外有数据表明 在寨卡 病毒开始传播后 巴西小头症的发病率 激增 自 2015 年 10 月以来 巴西卫生部 门已经记录了超过 4000 例小头症病例 在这之前 巴西平均每年新生儿的小头 症病例约为 150 例 对此 世界卫生组织 助理总干事布鲁斯 布鲁斯 艾尔沃德 艾尔沃德说 越来越 多的证据显示 寨卡病毒与新生儿小头 症间存在关联 但最终证实该关联还需 4~6 个月时间 格林-巴利综合征是一种神经系统 自身免疫性疾病 主要病变在脊神经根 和脊神经 可累及颅神经 会造成对称性 麻痹 四肢软瘫 以及不同程度的感觉障 碍 少数严重者可引起致死性呼吸麻痹 和双侧面瘫 治疗可减轻病情的严重程 度 并促进多数患者的康复 但目前尚没 有格林-巴利综合征的治愈方法 已经有研究团队宣称 证实了寨卡 病毒与格林-巴利综合征之间存在关联 并将相关研究成果发表在 柳叶刀 上 领导研究的法国巴斯德研究所教授阿尔 诺 封塔内介绍说 寨卡病毒疫情暴发时 格林-巴利综合征病例增加了 20 倍 并且 9 成的格林-巴利综合征患者在神经系统 出问题之前的 1 个星期曾感染寨卡病毒 而血液分析结果也支持此两种流行病学 结论 但也有研究人员表示 仍需要更 多研究来证明寨卡病毒在美洲地区的大 范围传播会引起当地格林-巴利综合征 病例增加 因为很多当地因素会对此有 影响 目前 世界卫生组织尚未宣布证 实寨卡病毒与格林 巴利综合征之间的 因果关系 未知尚存 当前对抗 寨卡 控蚊是关键 寨卡病毒最早于 1947 年在恒河猴体 内被发现 这只猴子生活在乌干达的寨 卡森林 该病毒由此而得名 寨卡病毒 与登革病毒 乙型脑炎病毒和西尼罗病 毒同属黄病毒科 在本次疫情持续发酵 之前 寨卡病毒曾有两次暴发记录 分别 发生在 2007 年太平洋岛国密克罗尼西亚 联邦雅浦岛和 2013 年法属波利尼西亚 为了加快相关研究 来自美国 中国 及欧洲等地的 31 个研究机构 学术期刊 等已经签署联合声明 承诺将尽可能快 速与公开地免费分享有关寨卡病毒的研 究数据 中国科学院和中国疾病预防控 制中心都在参与之列 牛津大学教授特 特 鲁迪 朗 介绍说 国际专家和受疫情影响 国家的科研人员正通过该大学下设的 全球健康网络 等平台来共享寨卡病毒 研究的资源 美国与巴西已同意在寨卡 疫 苗 研 发 上 加 强 合 作 并 开 始 着 手 研 发 遗憾的是 截至发稿 关于寨卡病毒 暴发的原因 传播方式以及与小头症的 关联等尚有许多未知 据 人民日报 消息 中国已直接从 患者尿液标本中分离出该病毒 成功获 得寨卡病毒全基因组序列 有专家认 为 获得该病毒全基因组序列 可为病毒 的溯源和进化提供重要证据 并用于指 导诊断试剂 疫苗和药物的研发 按照目前的研究进展 尚未有明确 有效应对该病毒的方法 但控制该病毒 的传播载体几乎是共识 牛津大学数学 生物学教授迈克尔 迈克尔 邦斯尔 邦斯尔说 在应对寨 卡病毒传播的过程中 迅速有效地控制 病毒载体 伊蚊非常关键 中国国家 卫生和计划生育委员会公布的 寨卡病 毒病诊疗方案 2016 年第 1 版 指出 带病毒的伊蚊叮咬是本病最主要的传播 途径 据监测 我国有与传播寨卡病毒 有关的伊蚊种类主要为埃及伊蚊和白纹 伊蚊 其中埃及伊蚊主要分布于海南省 广东省雷州半岛以及云南省的西双版纳 州 德宏州 临沧市等地 白纹伊蚊广泛 分布于河北 山西 陕西以南区域 在人类历史的进程中 从来不乏病 毒的身影 不断带来传染病的困扰 现 在 我们还未能走出 寨卡 这片迷雾森 林 正如英国诺丁汉大学分子病毒学教 授乔纳森 纳森 鲍尔 鲍尔所说 直到我们真正了解 寨卡病毒在这次和以往的疫情中具有怎 样的传播规律前 都很难准确预测这一 病毒会带来多大的影响 文//王微 责任编辑 李娜 李娜 9

12 科学共同体要闻 习近平关于科技创新论述摘编 正式出版 党的十八大以来 国家主席习近平 习近平同志把创新摆在 国家发展全局的核心位置 高度重视科技创新 围绕实 施创新驱动发展战略 加快推进以科技创新为核心的 全面创新 提出一系列新思想 新论断 新要求 中共 中央文献研究室编辑 中共文献出版社出版 习近平关 于科技创新论述摘编 本书选摘习近平 2012 年 12 月 7 日至 2015 年 12 月 18 日期间的讲话 文章 贺信 批示 等 50 多篇重要文献 新华网 [ ] 军民融合学会联合体 筹建工作座谈会召开 3 月 1 日 军民融合学会联合体筹建 工作座谈会在中国科技会堂召开 中国 科协党组书记 常务副主席 书记处第一 书记尚勇 尚勇出席并主持座谈会 中国工程 院原副院长杜祥琬 杜祥琬 中国船舶重工集团 原副总经理 中国造船工程学会常务副 理事长李国安 李国安 以及 8 家军民融合学会联 合体筹建学会负责人参加座谈会 尚勇指出 成立军民融合学会联合 体是落实中央关于中国科协全面深化改 革部署的一项重要举措 对推动科技体 制改革和群团工作改革 促进军民融合 意义重大 军民融合学会联合体由中国 仪器仪表学会 中国电子学会 中国造船 工程学会 中国航空学会 中国宇航学 会 中国兵工学会 中国核学会 中国复 合材料学会等 8 个学会共同发起筹建 主 要功能是在军民融合领域搭建科技人员 高效互动 协同攻关 资源共享 共图发 展的平台 为开展高水平大学科宽领域 的学术交流 促进更大范围的军民融合 信息交流与资源共享 提出重大决策建 议 更好地承接政府转移职能 开展表彰 奖励活动 规范学术行为 推动学科交叉 融合工作等营造良好创新环境 中国科协学会学术部 [ ] 尚勇与部分学会负责人 座谈学会改革发展 中国科协党组书记 常务副主席 书 记处第一书记尚勇 尚勇日前主持召开调研座 谈会 分别与中华医学会 中国数学会 10 中国电机工程学会有关负责人就学会改 革发展 学会联合体建设等内容进行交 流研讨 部署推动相关学会改革发展工 作 中国科协党组成员 书记处书记王 王 春法一同参会 春法 尚勇指出 学会是科协直接联系服 务科技工作者的载体和纽带 学会工作 是科协的主体工作 学会改革的进展直 接关系到科协系统深化改革的成效 希 望到场学会率先行动 认真落实科协系 统深化改革工作部署 为其他全国学会 提供经验借鉴 到场学会负责人分别介 绍了各学会落实科协系统深化改革实施 方案情况及学会改革创新工作思路和计 划 中华医学会副会长兼秘书长 饶克 勤 中国数学会理事长袁亚湘 袁亚湘 中国电机 工程学会理事长郑宝森 郑宝森 副理事长兼秘 书长谢明亮 谢明亮等参会 中国科协学会学术部 [ ] 中国光学工程学会将举办纪念 光纤发明 50 周年大会等系列活动 1966 年 华裔物理学家高锟 高锟发表题 为 用于光频的介质纤维表面波导 的研 究论文 开创性地提出利用石英玻璃制 作光学纤维 简称光纤 并在通信上应用 的基本原理 一场划时代的通信方式得 以诞生 对人类信息社会产生了重要和 深远的影响 短短几十年间 光纤网络 遍布全球 并以每小时增加数千公里速 度扩展 2016 年恰逢光纤发明 50 周年 中国光学工程学会将联合美国光学学会 (OSA) 于 5 月 9 11 日 在北京国家会议 中心共同主办 光纤改变世界 纪念 光纤发明 50 周年大会 邀请国内外知名 院士 专家学者 行业先锋齐聚北京 共 同纪念这一发明对世界的深远影响 展 望未来技术的最新发展趋势及新的产业 增长点 同期 由中国光学工程学会主 办的国际光电技术与应用系列创新研讨 会 由中国光学工程学会及中国高科技 产业化研究会主办的 2016 年光电子 中 国博览会等活动也将在北京举行 中国光学工程学会 [ ] 中国建筑学会将出台首个团体 标准 混凝土用镍铁渣粉 1 月 22 日 由中国科协批准立项 中 国建筑科学研究院负责制订的中国建筑 学会团体标准 混凝土用镍铁渣粉 以 下简称 标准 送审稿审查会议在北京 召开 中国科协学会学术部和中国建筑 学会有关负责人 审查专家及编制组成 员参加了会议 审查委员会认为 标准 合理地将镍铁渣粉划分为电炉镍铁渣粉 和高炉镍铁渣粉 首次提出了可浸出镍 含量 可浸出铬含量的限值 主要技术指 标设置合理 操作适用性强 能满足工程 建设需要 为规范镍铁渣粉的生产与检 验 保证混凝土质量 促进工业固体废弃 物综合利用提供了技术依据 本标准的 发布实施对于保证镍铁渣粉安全 合理 用于混凝土中具有重要意义 能够有效 推进作为目前第 4 大冶金渣的镍铁渣资 源化利用 推进混凝土的绿色化发展 中国建筑学会 [ ] 中国化学会 2015 年 新增荣誉会士 6 人 为表彰对中国化学及中国化学会与 外国学会间交流做出贡献的国外友好人 士 国外卓越的学者与专家 进一步加强 与国际著名科学家间的联系 中国化学 会设立荣誉会士制度 2015 年 经过提 名 遴选 6 名国际著名科学家获得 中国 化学会荣誉会士 称号 他们分别是 德 国 美 因 茨 大 学 教 授 Helmut Ringsdorf Ringsdorf 美国明尼苏达大学化学系暨科学院士 Donald G. Truhlar Truhlar 德国马普弗利兹-哈 伯研究所教授 Hans-Joachim Freund Freund 加拿大魁北克大学教授 Federico Rosei Rosei 美国西北大学教授 Tobin J. Marks Marks 英国 诺丁汉大学教授 Martyn Poliakoff 中国 Poliakoff 化学会荣誉会士设立于 2009 年 总人数 不超过 100 人 至今 已有世界各国著名 化学家 39 名获此殊荣 中国化学会 [ ]

13 科技导报 2016,34(5) 江西省第一个水产院士工作站成立 我国水产大省江西省第一个水产院 士工作站日前在江西省鄱阳县鄱阳湖壹号渔业集团揭牌 中国水产学会副秘书长曲宇风曲宇风代表中国水产学会参加揭牌仪 式 中国水产学会近几年积极支持鄱阳 湖水产事业 在中国科协的支持下, 学 会在鄱阳县创建了水产 120 服务站, 进行 了 党建强会 送科技下乡活动, 并发动会员加入学会科技服务活动 学会的倡议得到了学会常务理事 中国科学院水生生物研究所桂建芳桂建芳院士的支持, 在共 同考察调研的基础上, 决定在鄱阳县建 立院士工作站, 以助力江西省水产业的 创新驱动战略 中国水产学会 [ ] TWAS 院长办公会召开白春礼主持 3 月 1 日消息, 中国科学院院长 发 展中国家科学院 (TWAS) 院长白春礼白春礼日 前在意大利主持召开 TWAS 院长办公会 议, 就 2016 年 TWAS 院士选举 TWAS 大 会 TWAS 战略发展规划和其他工作重点 等进行部署 随后几天内, 白春礼应邀 顺访了意大利 匈牙利 波兰的重要科研 机构 在访问意大利期间, 白春礼与意航 天局局长 Roberto Battiston 等人举行会 谈并签署中意航天合作协议 白春礼介 绍了中国科学院空间科学战略先导专项 暗物质空间科学卫星 量子通信卫星等工作进展, 以及与欧洲空间局等机构的合作情况 随后, 白春礼访问了匈牙利科学院并与院长 László Lovász 续签 了双边合作协议, 匈牙利研究发展创新署署长 József Pálinkás 与白春礼进行了 单独会谈, 双方就如何促进人才交流与中匈科技合作进行讨论 ; 在访问波兰科学院期间, 院长 Jerzy Duszyński 向白春 礼介绍了由波兰 匈牙利 捷克 斯洛伐 克共同建立的四国合作战略 他强调, 中国是该战略中的重要合作伙伴, 希望在对双方都有重要意义的领域建立联合实验室以推动实质性合作 白春礼表示, 欢迎波兰科学家利用中国科学院国际人才计划赴中访问和工作, 称这将催化更多合作机会 中国科学报 [ ] 美多样性计划力争提高少数族裔科学代表率 美国国家科学基金会 (NSF) 希望让美国科学界变得更加包容, 想法越多越好 近日,NSF 宣布将在 2016 年年底颁发小额奖金, 用于奖励数十个验证扩大科学和工程参与度的新方法 获得为期 2 年 30 万美元试点资助的研究人员将有机会在下一年竞争为期 5 年的 1250 万美元奖金 NSF 把该项目称为 IN CLUDES 尽管存在很多意图良好的全国性计划, 但是科学任务中女性和少数族裔代表人数不足一直是个问题 NSF 主任 France Cordova 一直反复提及要推动解 决这一问题 现在, 这项整体斥资约 7500 万美元的计划有望扮演重要角色 Cordova 希望通过该计划, 改变科学和工程界, 使其全面 广泛地具有包容性 其中的建议之一是提高科学 技术 工程和数学领域少数族裔的代表率 还有一项是通过广泛的合作项目促进 代表率不足以及低社会经济群体学生的成功 中国科学报 [ ] 意大利科学家抗议削减经费 意大利科学家近日发起关于国家科研系统现状的国家层面的讨论 他们希望政府逆转连续数年来的经费削减, 防止越来越多的研究人员流向海外工作 近日, 数百名研究人员和学生聚集在罗马大学一个气氛热烈的会场, 倾诉他们的境遇 此次抗议活动始于几周前发表于 Nature 杂志的一封公开信, 这封信由罗马大学著名物理学家 Giorgio Parisi 起 草, 并由其他 69 名研究人员联盟签字 信件称意大利 严重忽视了研究基础, 并敦促欧盟向包括意大利政府在内的各国政府施压, 从而使其研究经费至少可以维持在最低水平 这封信件同时伴随着网上请愿活动, 到目前为止已有 5 万多人签名, 主张欧盟应该像 2000 年里斯本战略规定的那样, 在要求成员国减少财政预算赤字的同时, 要求它们在研发领域至少投入国内生产总值的 3% 而当前意大利在研究领域的经费支持仅占 GDP 的 1.25% Parisi 表示, 这封信和请愿书的真正目标是意大利政府而非欧盟 自 2009 年以来, 政府对意大利高校的资助已经下降了 10 亿欧元左右, 约占 13% 相较于国家 GDP 而言, 意大利拥有较少的研究人员, 这意味着该国在获取欧洲研究经费方面成功的可能性也更低 中国科学报 [ ] 3 名英国科学家获 2016 欧洲大脑奖 3 月 1 日, 格雷特 伦德贝克欧洲大脑研究基金会在伦敦宣布, 将 2016 年 格雷特 伦德贝克欧洲大脑研究奖 ( 简称大脑奖 ) 授予 3 名英国科学家, 以表彰他们在解析人脑记忆相关机制方面的突出贡献 分享今年欧洲大脑奖 100 万欧元奖金的 3 名英国科学家分别是弗朗西 斯 克里克研究所研究员蒂姆 布利斯 爱丁堡大学教授理查德 莫里斯 布里斯 托尔大学教授格雷厄姆 科林格里奇 基金会在一份声明中说, 这 3 名科 学家从细胞和分子层面揭示了一种名为 长时程增强效应 现象背后的运行机 制, 以及这种现象如何影响我们学习和 记忆的能力 长时程增强效应 是发生在两个神经元信号传输中的一种持久增强现象, 能同步刺激两个神经元 这是与突触可塑性 ( 即突触改变强度的能力 ) 相关的几种现象之一, 被普遍视为构成学习与记忆基础的主要分子机制之一 此前研究已显示突触可塑性受损与自闭症 精神分裂症 焦虑 抑郁 癫痫等涉及脑部的疾病相关 新华社 [ ] 17 位华人学者获 2016 年斯隆研究奖 2 月 23 日, 艾尔弗 斯隆基金会 (The Alfred P. Sloan Foundation) 公布了 2016 年斯隆研究奖 (Sloan Research Fellowships), 顾臻 田博之田博之等来自全球 不同科研机构的 17 位华人获此殊荣 斯 隆研究奖自 1955 年设立以来颁发给物 理学 化学和数学领域的杰出青年, 以向 这些 早期职业科学家和学者提供支持和认可, 后来陆续增加了神经科学 经济学 计算机科学以及计算和进化分子生物学 本届获奖者共 126 名, 虽然奖金数额并不抢眼, 但该奖项自设立以来共产出了 43 位诺贝尔获奖者,16 位菲尔茨奖获奖者, 以及众多杰出人才 科学网 [ ] ( 责任编辑 李娜 ) 11

14 科技建议 国家自然科学基金间接费用政策解读 国家自然科学基金资助项目资金管理办法 以下简称 资金管理办法 由财政部和国家自然科学基金委员会 以下 简称 基金委 联合修订颁布 自 2015 年 4 月 15 日正式实施 在 国务院关于改进加强中央财政科研项目和资金管理的若干 意见 发布之后 该办法成为科技政策第一个 由天落地 的管理 办法 资金管理办法 贯彻党中央 国务院关于科技体制改革的 重大决策 进行了一系列重大管理变革 该办法第八条规定 项 目资金分为直接费用和间接费用 首次设立 间接费用 开支科 目 明确实施间接成本补偿机制 开启了国家自然科学基金 以 下简称 科学基金 项目资金管理改革的序幕 科学基金间接 费用约占总经费的 20% 首批间接费用在 2016 年 2 月按照依托 单位 全称 国家自然科学基金依托单位 指经国家自然科学基 金委员会审核 具有科学基金管理资格并予以注册的单位 科研 人员需通过依托单位申请和承担科学基金项目 集中进行核定 批准和拨付 规定 在直接费用扣除设备购置费后的基础上 运用分段超额累 退比例计算核定间接费用 具体的比例为 项目直接费用扣除 设备购置费后 金额在 500 万元及以下部分为 20% 金额为 500 万元以上至 1000 万元的部分为 13% 金额超过 1000 万元的部 分为 10% 固定额度法是指对于固定资助强度的研究类项目 按照固定额度核定间接费用 表2 国家自然科学基金间接费用 固定额度法 单位 万元 项目名称 表1 国家自然科学基金间接费用核定范围 分类 具体项目 面上项目 重点项目 重大项目 青年科学基金项目 直接费用 间接费用 创新研究群体科学基金项目 新启动项目 创新研究群体科学基金项目 延续项目 国家杰出青年科学基金项目 优秀青年科学基金项目 海外及港澳学者合作研究 间接费用核定范围 根据不同的分类方法 科学基金项目可以划分为不同的类 型 按照财政预算类别不同 可以分为 国家自然科学基金项 目 和 国家杰出青年基金项目 按照资助方向目的不同 可以 分为 研究项目 人才项目 和 环境条件项目 按照项目资金 使用特点不同 可以分为 研究类项目 和 非研究类项目 科 学基金对于研究类项目予以核定间接费用 对于非研究类项目 不予核定间接费用 资助强度 基金项目 2 年期资助项目 海外及港澳学者合作研究 基金项目 延续资助项目 NSFC-新疆联合基金项目 NSFC-河南人才培养联合 基金项目 注 括号内数额为数学 管理领域的资助金额 需要注意的是 第一 无论是比例法 还是固定额度法 间接 费用中的绩效支出都按照直接费用扣除设备购置费后的 5%核 定 第二 间接费用核定要与依托单位信用等级挂钩 不同信用 等级的依托单位 间接费用核定有所区别 优秀青年科学基金项目 国家杰出青年科学基金项 目 地区科学基金项目 创新研究群体科学基金项目 研究类项目 重大研究计划 培育项目 重点支持项目 集成项目 予以核定 国家重大科研仪器研制项目 联合基金项目 国际 地 区 合作研究项目 海外及港澳学者合作研究基金项 目 外国青年学者研究基金项目 应急管理项目 研究 项目 数学天元基金项目 重大研究计划 指导专家组调研 非研究类项目 项目 战略研究项目 联合基金项目 广东联合基金 不予核定 超算应用专项 国际 地区 合作交流项目 局室委托 任务及软课题项目 应急管理项目 科技活动项目 间接费用核定方法 对于予以核定间接费用的研究类项目 科学基金分类采用 两种核定方法 一是比例法 二是固定额度法 其中 比例法是 指对于一般研究类项目 按照 资金管理办法 第十一条的有关 12 间接费用批准拨付 间接费用实行与直接费用 分开批准 分别拨付 的方式 项目申请人 或项目负责人 在项目申请和提交项目计划书时 只需对项目直接费用编列预算 项目立项时 只批准资助项目 的直接费用金额 间接费用由基金委单独统一核定和批准 具 体来说 每年 1 月 1 日以后 基金委以各依托单位上一年度 1 月 1 日 12 月 31 日 获得资助项目的直接费用金额为基础 结合依 托单位的信用等级情况 运用上述两种间接费用核定方法 统一 进行核定汇总 按年度 依托单位进行间接费用资助审批 下发 间接费用批准通知 在拨付时 间接费用按照项目执行期 分年度平均拨款 每 年上半年集中拨付当年应拨付的间接费用 间接费用与直接费 用分开拨付 单独拨到各依托单位 如果项目状态发生变更 间 接费用拨付也要进行相应调整 其中 项目依托单位变更的 已 拨付间接费用留在原单位 未拨付间接费用拨至新单位 项目缓

15 科技导报 2016,34(5) 拨的, 间接费用同时缓拨 ; 项目终止的, 未拨付间接费用停拨 ; 项目撤销的, 未拨付间接费用停拨, 已拨付间接费用收回 间接费用支出管理根据 资金管理办法 第十条关于间接费用支出范围的相关规定, 间接费用是指依托单位在组织实施项目过程中发生的无法在直接费用中列支的相关费用, 主要用于补偿依托单位为了项目研究提供的现有仪器设备及房屋, 水 电 气 暖消耗, 有关管理费用以及绩效支出等 其中, 绩效支出是指依托单位为了提高科研工作的绩效安排的相关支出, 并且要求绩效支出不得超过直接费用扣除设备购置费后的 5% 间接费用由依托单位统一管理使用 各依托单位需要结合自身实际制定间接费用管理办法, 合规合理使用间接费用, 结合一线科研人员的实绩, 公开 公正安排绩效支出, 体现科研人员价值, 充分发挥绩效支出的激励作用 实施间接费用政策以后, 各依托单位不得在核定的间接费用以外, 再以任何名义在项目直接费用中提取 列支相关费用 对科研人员和依托单位的影响与原 国家自然科学基金项目资助经费管理办法 中的 管理费 相比, 间接费用在开支比例 开支范围和批准拨付等方面有较大的变化, 主要是提高了开支比例, 扩大并更加明确了开支范围 同时, 允许开支一定比例 (5%) 的绩效支出, 用于提高科研工作的绩效, 激发科研人员的创新热情 在批准拨付方面, 间接费用与原管理费完全不同 间接费用实行与直接费用 分开批准 分别拨付 的方式, 由基金委按年度单独核定批准 集中拨付到各依托单位, 由依托单位统一管理使用 实行间接费用政策以后, 依托单位的间接成本能更好的得到补偿, 从而为依托单位在科学基金管理中更好履行主体责任提供条件保障 与此同时, 依托单位要按规定制定本单位的间接费用管理办法, 结合科研实际, 公开 公正安排绩效支出, 为项目研究工作提供有力保障 广大科研人员在科学基金直接费用和间接费用的支持下, 能够更好的开展科学研究与探索 间接 费用将促使依托单位为科研人员开展科学研究提供基础保障和管理服务, 绩效支出对科研人员的智力劳动予以奖励和认可, 可以更好激发广大科研人员的创新创造热情 项目开支比例 开支范围 批准拨付 科学基金作为中央财政科技计划 ( 专项 基金等 ) 管理改革整合后的五类科技计划 ( 专项 基金等 ) 之首, 肩负着聚焦基础研究和科学前沿, 注重交叉学科, 培养优秀科研人才和团队, 增强源头创新能力, 向国家重点研究领域输送创新知识和人才团队的重任 资金管理办法 的修订发布, 以及包括间接费用在内的一系列项目资金管理改革措施的实施, 必将为科学基金更好的支持基础研究, 为广大科学家自由开展科学研究探索, 进而为提高我国科技创新能力 实现创新驱动发展战略提供保障, 并更好地助力我国科技的发展 文 / 唐福杰 1, 郭蕾 2, 高素青 3 4, 郑仲文 作者简介 表 3 国家自然科学基金间接成本补偿机制比较 管理费 5% 依托单位为组织和支持项目研究而支出的费用, 包括项目执行中公用仪器设备 房屋占用费等随项目资助经费批准 下拨, 由依托单位逐一从项目中提取 间接费用 20% 13% 10%, 或固定额度依托单位在组织实施项目过程中发生的无法在直接费用中列支的相关费用, 主要用于补偿依托单位为了项目研究提供的现有仪器设备及房屋, 水 电 气 暖消耗, 有关管理费用以及绩效支出等与项目直接费用分开批准 分别拨付, 由基金委按年度集中核定批准, 单独 直接拨付到依托单位, 由依托单位统一管理使用 1. 国家自然科学基金委员会财务局, 会计师 ;2. 国家 自然科学基金委员会财务局, 处长 ; 北京理工大学管理与经济学院, 在读博士 ;3. 国家自然科学基金委员会财务局, 处长 ;4. 国家自然科学基金委员会财务局, 局长 ( 责任编辑 王丽娜 ) 13

16 访谈 陈学雷 中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席研究员 主 要研究方向为宇宙学与粒子天体物理 陈学雷 陈学雷 上天入地 上天入地 搜寻暗物质 20 世纪初 看似完美的牛顿万有 顿发现万有引力之后 天文学家一直用 引力定律几乎可以解释除迈克尔逊 引力定律来解释一切天体的运动规 莫雷实验和黑体辐射实验以外的物理 律 但由于引力定律难以解释天王星 在人类还未曾观测到的物质 并将其命 名为 暗物质 随后在 1970 年 美国 天文学家 V. Rubin 在对仙女座大星云 与天文学的一切运动过程 当时这 2 个 的异常运动 法国天文学家 Urbain Le 理天空中的两朵乌云 也正是由于这 此猜测可能存在其他行星的作用 导致 增加而有明显的下降 这从另一个方 天王星的运动无法用万有引力来解释 面证实了在星系及其外围存在大量不 无法被牛顿定律解释的实验被称为物 两朵 乌云 的存在才促成相对论和量 子力学的诞生 进而带来了一场物理学 革命 现如今 相对论和量子力学仅能 解释的宇宙成分的 4% 而其余的 96% 由暗物质和暗能量构成 它们的本质还 未知 可以说是 21 世纪物理学的另外 Verrier 和英国天文学家 J. C. Adams 据 这一猜测促成了 1846 年 J. G. Galle 发 中星体旋转曲线的研究证实了星系外 围星际气体的旋转速度并未随距离的 可见的暗物质 并且暗物质的总质量 现海王星 陈学雷说海王星的发现过 远远大于星系中可见部分的质量之和 程与暗物质的发现过程极其相似 这是最早的比较明确证实暗物质存在 1933 年 瑞士天文学家 F. Zwicky 在研 究 Coma 星系团成员星系运动时发现 的证据之一 2006 年 钱德拉 X-射线望远镜对 Coma 星系团里星系的运动速度远远高 子弹星系团的观测 发现星系团中发光 发现提出以来 物理学家和天文学家就 度 另外 他利用后发星系团边缘星系 是重合的 陈学雷说 这一现象被天文 未曾停下探索的脚步与想象的步伐 粒 的运动估计出星 子模型的不确定性也不能解释暗物质 系团的总质量 与 粒子 这使当代物理面临严峻的挑战 根据后发星系团 暗物质究竟是什么 到底存在于哪 星系数量和总亮 里 这些问题多年来一直萦绕在科学 度估计出的星系 家的心头 久久未曾解开 团总质量进行对 两朵 乌云 20 世纪 30 年代 暗物质第一次被 2015 年中国发射 悟空 暗物质探 测卫星 中国在暗物质探测领域又向前 迈进了一步 值此时机 科技导报 采 出预想 并且超过了该星系团的逃逸速 的热气体和 2 个星系的质量中心并不 比 发现前者是后 者 的 大 约 400 倍 星系团中可见星 访了中国科学院国家天文台宇宙暗物 系所提供的引力 质暗能量组首席研究员陈学雷 请他阐 远远不足以提供 释暗物质研究及探测的进展 足够的向心力 以 拉住边缘星系极 暗物质发现历史 提到暗物质的发现历史 总是避 不开海王星的发现过程 陈学雷说 牛 32 快的运动速度 因 此 F. Zwicky 大 胆提出宇宙中存 子弹星系团 Bullet 星系团 的 X 射线观测和 引力透镜成像结果 图片来源 凤凰科技

17 用 所以陈学雷预言说 暗物质因此也 可以看作是连接新物理与标准模型的 桥梁 同时也是连接微观世界和宇宙宏 观世界的桥梁 在他看来 对暗物质问 题的研究是人类探索更深层次的基本 粒子相互作用 寻找新物理信号的指路 牌 并且暗物质研究在天体物理领域 与粒子物理领域都有重要意义 它决定 了星系和星系团的动力学特征 促进了 宇宙大尺度结构的生成 有助于解释电 弱破缺理论 如何上天入地搜寻暗物质 目前 探测暗物质存在的方法主要 有 3 种 即空间探测 地下探测以及对 悟空 暗物质探测卫星 图片来源 果壳网 撞机创造 暗物质 在陈学雷看来 3 学家认为是证实暗物质存在最直接的 可能会发生作用 因此他说可以认为 证据 由于暗物质粒子不像普通的重 暗物质是早期宇宙大爆炸产生的粒 子物之间会发生很强的相互作用 暗物 子 除此之外 由于暗物质的产生需要 质粒子之间几乎没有任何相互作用 因 超高温高密度的条件 因此目前人类还 此普通物质通过相互碰撞而产生减速 未能在对撞机上创造出暗物质粒子 效应 造成子弹星系团在大碰撞之后 如果大胆假设一下 人类可以在对撞机 暗物质和普通重子物质的空间分布出 上创造出某种新物理所预言的寿命长 现了较为明显的分离 这一结果用修 且为中性的粒子 那么它很可能就是暗 改引力定律非常难解释 但是如果引入 物质的粒子 进一步说 假设暗物质粒 暗物质 那就相对自然的多 因此 子 子被探测到 其性质也将对新物理模型 弹星系团的观测最为直观的证实了暗 的创建起到推动和限制作用 因此 陈 物质的存在 学雷推测 从某种意义上来说 搜寻暗 虽然 暗物质的存在得到了大部分 天文学家的承 认 但 是 它 到 底 是 什 么 以什么形式存在 新的问题摆在 了天文学家乃至物理学家的面前 物质对于宇宙学 天文学和粒子物理是 相通的 也正因为暗物质模型在搜索前期 搜索暗物质阶段起到了非常重要的作 种方法相辅相成 通过直接或者间接手 段在不同空间领域探测暗物质 空间探测是根据暗物质粒子相撞 相互湮灭后产生的高能伽马射线或者 高能的正反粒子对的理论 通过探测宇 宙中过量的伽马射线 或来路不明的高 能反物质粒子 来间接证明暗物质的存 在 中国发射的 悟空 暗物质探测卫 星应用的就是这种方法 地下探测是将暗物质探测器深埋 地下 厚厚的岩石层可以排除其他粒子 的干扰 陈学雷说 暗物质无处不在 且会参与弱相互作用 这种相互作用只 能在原子核内部发挥作用 被暗物质 粒子碰撞后原子核会发光发热或者会 偏离原来位置 这些光 热和位移都是 探测暗物质的意义何在 暗物质探测为何让粒子物理学家 和天文学家如此关注 陈学雷认为 正 确认识暗物质 一是对于认识物质的基 本结构和基本相互作用可能起到关键 的作用 二是对于更进一步解开宇宙爆 炸之谜有一定帮助 有部分科学家猜测暗物质的产生 可能是源于宇宙早期的高温过程 陈 学雷解释说 在宇宙形成的早期 要经 历一个高温的阶段 这时候宇宙中的 粒子能量要高于现在已有的一切对撞 机的能量 在这种情况下 新物理很有 中国锦屏地下实验室 图片来源 新华网 33

18 荷-空间 CP 破坏问题时被引入的概 念 目前它的质量范围被实验和天文观 测限制在 10-6~10-3eV 之间 可以通过非 热过程产生并作为冷暗物质存在 核 理论预测 轴子能使暗物质聚集在一 起 但由于轴子比 WIMPs 轻 其与普 通粒子相互作用的频率更低 进而更加 难探测 除了 WIMPs 和轴子 目前理论物 理学家还提出了其他暗物质粒子的模 型 例 如 KK 粒 子 超 对 称 引 力 子 gravitino 等 陈学雷补充道 额外维 度空间理论预言了 KK 粒子的存在 其 LHC 对撞机 图片来源 观察者 可以被探测到的 因此深埋在地下的 现有的粒子物理学标准模型中的所有 探测器就通过守株待兔的方法 在探测 粒子都无法解释暗物质的未知粒子 因 器里装上大量反应物质 等着暗物质与 此 陈学雷强调说 为了解释暗物质粒 原子核的 巧遇 中国的锦屏地下实 子的性质 目前科学家研究较多的是弱 验室就是利用这种方法直接探测暗 相互作用重粒子和轴子 物质 暗物质粒子的候选者众多 这其 对撞机上创造暗物质粒子 根据 爱因斯坦的质能方程 能量和质量是等 价的 且在一定条件下可以相互转换 中弱相互作用重粒子 WIMPs 最受瞩 目 陈学雷分析称 WIMPs 的首要入 选原因主要是因为它非常吻合物理学 在大型强子对撞机上进行的粒子碰撞 目前广为流行的理论如超对称理论 实验 能量束相互碰撞后 会转化为多 所谓的超对称理论 就是认为存在于宇 种多样的粒子四处逃散 如果能量足够 宙中的所有粒子都有一个尚未被发现 高 理论上是有可能碰撞出暗物质粒子 的 伴侣 粒子 比如 电子的同伴 超电 的 由于暗物质不可见 设置在周围的 子 等 WIMPs 是这些超对称性的粒 探测器无法探测记录到 因此如果在能 子中 最轻的一个 因此部分科学家猜 中最轻的粒子是稳定的并可以成为暗 物质 由于超对称引力子其和普通物 质的相互作用非常弱 也被称为超弱作 用重粒子 super-wimp 它被认为是 指引力子的超对称伴子 主要通过非热 产生 目前人们对于暗物质的本质仍然 很不了解 因此在理论上提出了各种各 样的模型 尽管超对称粒子 KK 粒子 轴子等粒子都已经有了非常明确的物 理意义 都是暗物质粒子的候选者 但 最终暗物质的性质还要取决于实验 结果 陈学雷目前将研究重心放在暗能 量上 他说暗物质和暗能量问题被称为 现代物理科学中两朵新的乌云 对它们 的研究将极有可能孕育出新的物理学 测 宇 宙 中 的 暗 物 质 或 许 由 WIMPs 组 和天文学重大发现乃至科学上的革命 洲大型强子对撞机 LHC 是目前世界上 始了对 WIMPs 的探测 尤其期待能在 的科学发展将带来难以估量的重要作 升级会 让人对 创造 暗物质粒子充满 况下探测到这种粒子的踪迹 但到目前 量束碰撞过程中 有粒子凭空消失 那 么就可以直接证实暗物质的存在 欧 最大的大型强子对撞机 2015 年重启 期待 成 20 世纪 80 年代以来 科学家就开 暗物质粒子与普通粒子相互作用的情 自暗物质被发现并证实存在以来 物理学家们普遍认为暗物质由未知的 量的学科前沿是 寻找暗物质粒子 研 究暗能量的物理本质和探索反物质丢 仪 器 以 期 能 尽 早 探 测 到 WIMPs 的 的研究趋势是开展结合粒子物理和宇 踪影 与 WIMPs 同时被提出的暗物质 新粒子组成 并且这种未知粒子与普通 候选者还有轴子 axion 陈学雷补 物质间的相互作用微弱且罕见 利用 充说 轴子是在解决强相互作用中的电 34 用 陈学雷认为 目前暗物质和暗能 为止还未发现 WIMPs 的踪迹 在这过 程中 科学家不断升级调整探测手段和 暗物质候选者 暗物质和暗能量一旦被搜寻到 对未来 失之谜等 物理学和天文学一个重要 宙学 面向极小与极大的研究 文/祝叶华 科技导报 编辑部 责任编辑 陈广仁 陈广仁

19 访谈 周宁 清华大学物理系助理教授 2014 年 青年千人 研究方向为超出标准模型 新物理 对撞机实验 ATLAS 上暗物质及奇异物理的搜寻 暗物质方向性直接探测 实验 中国未来大型对撞机实验的模拟 周宁 周宁 LHC 重出江湖 重出江湖 探寻暗物质 在宇宙的物质成分中 大约 70%不 是由已知的物质构成 而是存在大量不 宁接受了 科技导报 采访 为我们揭开 物质的相互作用很微弱 即使产生出来 对撞机上探寻暗物质的发现之旅 也将迅速逃离出探测器而不产生任何 可见的物质 天文学家很早之前就获得 了支持这一观点的证据 20 世纪 天 的信号 这一点和中微子非常相像 由 对撞机上创造暗物质 文学家对许多涡旋星系的旋转速度进 对撞机上搜寻暗物质采用了主动 行了精确测量 他们发现星系外围部分 创造这些粒子的办法 爱因斯坦的质 2 于暗物质会带走一定的能量和动量 因 而在一个对撞事例中表现为存在 丢 失 的能动量 的旋转速度远远大于预期 似乎有强劲 能方程 E=mc 表明能量和质量是等价 周宁介绍 欧洲大型强子对撞机 的引力拉扯着那些外围的恒星 其拉扯 的 在一定条件下可以相互转换 大型 LHC 是目前全球最大 能量最高的粒 强度远远超过可见恒星施加引力的总 强子对撞机上进行的粒子碰撞实验是 子加速器 同时也是目前最复杂的实验 合 因此天体物理学家认为最合理的 把质子加速到足够高能量碰撞湮灭产 解释是 这些星系中包含一些无法被常 生出新的四散逃逸的粒子 进而被设置 系统 它通过埋入地下 100 m 深 总长 27 km 的超导磁铁加速并碰撞粒子 可 规手段探测到的物质 却可能对星系施 在对撞点周边的探测器记录下来 理 加引力作用 天体物理学家称这种目前 论上讲 如果能量足够高 对撞机内的 宙初期形态 帮助科学家研究宇宙起源 无法探测到的物质为 暗物质 碰撞就很有可能产生出暗物质粒子 并寻找新粒子 大型强子对撞机的隧 在微观尺度上还原宇宙大爆炸后的宇 道里安放了 4 个探测器 CMS 紧凑缪子 无论暗物质是什么 大多数天文学 但鉴于暗物质粒子是隐身不可见的 所 家始终相信它确实存在 科学家对于 以对撞机内的设置的探测器无法探测 暗物质的找寻一直未曾停下脚步 对 到暗物质的存在 周宁表示这样的话 撞机 空间探测和地下探测一起构成了 对撞机内碰撞产生的粒子就会有一部 机 科学家们希望通过这些探测器 分不翼而飞 如果发生这样的能量失 在能量为数万亿电子伏特质子对撞中 撞机作为探测手段之一 试图通过加速 踪 就可以直观地证实对撞机创造出了 发现有意义的新物理 粒子达到很高能量并发生碰撞 从而可 暗物质粒子 目前搜寻暗物质的 3 大主要手段 对 以模拟宇宙早期的状态 如果能量足够 对撞机上搜寻暗物质的方式 周宁 线圈 ATLAS 超环面仪器 LHCb 底 夸克探测器 和 ALICE 大型离子对撞 曾经作为 ATLAS 奇异物理中暗物 质寻找召集人的周宁 重点寻找暗物质 认为有 2 种 一是入射粒子产生一些 和单个粒子共同产生的反应过程 对一 组成的更多迷题 他们希望能在未来几 定粒子 它们会衰变到轻的 稳定的暗 年首次获得暗物质存在及其组成的实 物质粒子 新粒子产生和衰变的过程 在他看来搜寻暗物质的 3 种探测方式 际证据 2015 年 欧洲大型强子对撞 中伴随大量标准模型粒子的产生 因此 方式上发现暗物质粒子的信号 原则上 暗物质 曾经作为 ATLAS LHC 实验之 信号包括了多种粒子 另一种是入射 就可以期待在其他探测方式实验上也 粒子直接碰撞产生一对暗物质粒子 能看到信号 他强调说 如果直接探测 暗物质粒子的特别之处在于它和普通 实验观测到暗物质碰撞原子核的信号 高 就有可能产生出暗物质粒子 研究 者们想要借对撞机揭开有关宇宙基本 机 LHC 在休整 2 年之后 重新启动探寻 一 奇异物理中暗物质寻找召集人的周 其他较重的新粒子 这些新粒子是不稳 系列暗物质产生模型给出了排除限 相互补充 相互验证 在任何一种探测 35

20 也显著增加 最近几年将是对撞机上寻 找暗物质的一个激动人心的时期 为何 LHC 能吸引 30 多个国家的科 研人员协力实验 在周宁看来 LHC 是 一个质子对撞机 是世界上目前最大的 对撞能量最高的粒子对撞机 科学家冀 希望通过这个大型对撞机解答众多自 然界的未解问题 典型的有 标准模型 中的给出基本粒子质量的希格斯机制 是真实的么 有多少种希格斯粒子及 其质量 自然界中是否有超对称粒 子 是否存在额外维空间 宇宙中的 暗物质与暗能量到底是什么物质 等 等 关于这些问题的发现 都将是物理 欧洲大型强子对撞机 LHC 图片来源 周宁 学的变革性突破 会为人类打开了崭新 的物理世界 这就吸引了全世界众多 则这种暗物质和夸克或胶子有一定的 的粒子 来推算被暗物质带走 丢失的 国家的眼光和参与 LHC 建设及其复 能动量 并进一步确定暗物质粒子的性 杂 技术要求及其前沿 因此 无论从资 的质子对撞机就可以产生出来这种暗 质 根据和暗物质共同产生的粒子种 金还是技术上 不是少数一两个国家能 物质 同样的 这种暗物质也可以湮灭 类和数目 他们划分了不同的反应道 够承担的起 而需要全球的物理学家一 产生出夸克 从而给出间接探测信号 有侧重的寻找暗物质的各种属性 在 相互作用 从而 Tevatron 或 LHC 这样 3 种暗物质探测方式各有自己的优势 和劣势 结合不同探测手段以得到一个 统一的暗物质图像 LHC 升级再出发寻找暗物质 欧洲大型强子于 2008 年 9 月对撞 机建成运行 2012 年末结束首阶段运 行 这一阶段的 2 个强子对撞实验项 LHC 一期数据分析中 周宁重点寻找暗 物质和单个粒子共同产生的反应过程 对一系列暗物质产生模型给出了排除 限 他提到 目前 LHC 二期数据采集 已经开始 各个暗物质寻找工作正如火 如荼的进行中 由于二期数据的对撞 能量有大大提高 暗物质信号的灵敏度 起努力 反过来 通过建设 LHC 各个 国家自身的人才队伍也得到锻炼 科学 技术也得到发展 2015 年 LHC 重新开启 升级后的 加速器会带来更高的对撞速度 周宁也 对此充满希望和信心 期待能在 重生 后 的 LHC 上 搜 寻 到 暗 物 质 的 蛛 丝 马迹 目 ATLAS 和 CMS 均证实了 上帝粒子 希格斯玻色子的存在 2013 年 2 月 LHC 关闭进行维护和升级 科学家和 工程师们在此期间对 LHC 进行了大规 模的基础设施优化工作 升级了加速器 和探测器 2015 年 LHC 重启的目标是 以 13 万亿 ev 的质子束流能量进行实 验 相较此前以 7 万亿~8 万亿 ev 的能 量进行对撞实验 能量提高了约一倍 2015 年 4 月 7 日 欧洲核子研究中心发 表公报称 欧洲大型强子对撞机当地时 间 4 月 5 日 发射出第一束质子束 流 从相反方向发射另一束质子 束流 两束质子束流循环的注入能量为 0.45 万亿 ev 自此 LHC 重新出发 带 着更高的能量搜寻暗物质 在第一阶段 周宁参与的 ATLAS 实验通过观测其它和暗物质一起产生 36 世界最大粒子加速器欧洲大型强子对撞机 LHC 图片来源 观察者

21 LHC 发现希格斯粒子为搜寻暗物 暗物质也可以湮灭到标准模型粒子 形 质提供窗口和契机 成宇宙中的伽马射线 中微子 反物质 追寻了很久的 上帝粒子 希格斯 以及中国刚刚发射升空的暗物质探测 等成分 丁肇中先生主持的 AMS 实验 2012 年 LHC 帮助科学家们发现 玻色子 这一粒子是物质的质量之源 卫星 悟空 就是这样间接探测暗物质 赋予所有粒子质量 希格斯玻色子本 的实验 其能够探测来自于远处的某 身也有质量 为 1250 亿 ev 约为质子质 个暗物质结构所产生的信号 并可以同 对于希格斯粒子 周宁说它是粒子 行 探 测 从 而 覆 盖 很 大 暗 物 质 质 量 量的 130 倍 时在多个能量段对不同宇宙线粒子进 物理标准模型中存在的一个粒子 其于 区间 CMS 实验中被发现 至此 标准模型中 期待中国大型对撞机 2012 年 在 欧 洲 核 子 中 心 的 ATLAS 和 所有粒子都已经发现 目前 周宁表 示 不断提高测量精度乃至计划建造新 周宁在 LHC 实验现场 周宁非常期待中国建造自己的大 型对撞机 在他看来 中国未来大型对 撞机实验目前计划分两步走 第一步是 的对撞机去检验希格斯粒子的物理性 量 在目前的测量精度下 周宁等人尚 质 因为自然界的希格斯粒子有可能和 未发现明显的超出标准模型的性质 超出标准模型的新物理相关联 从而导 但是随着以后测量精度的提高 他们期 致其性质和标准模型的预言有所差 待能有所发现 总之 希格斯粒子的发 异 比如 希格斯粒子有可能和暗物质 现给科学界带来了一个发现新物理的 确测量希格斯粒子性质 并可以寻找新 这个超出标准模型的粒子存在耦合 从 窗口和契机 这个新物理有可能和暗物 物理可能出现的迹象 如果那时候高 而作为暗物质和可见物质联系的纽带 质联系起来 能物理出现了新物理迹象而且质子对 在 年 间 开 工 建 设 能 量 为 250 GeV 的高能正负电子对撞机 目标 是产生大量干净的希格斯粒子 从而精 虽然 LHC 是通过间接手段推断暗 撞机被证明有必要建设和关键技术取 队在 LHC 一期数据分析中系统性的测 试验一样具有很强的科学性 在他的 始建设质子对撞机 其对撞能量大大超 实验上通过 W 玻色子和希格斯粒子共 粒子有一定的相互作用 那么可通过标 这样就会导致希格斯粒子不可见衰变 的分支比发生变化 周宁与其研究团 量了希格斯粒子的性质 他在 ATLAS 同产生的过程去进行不可见衰变测 物质的存在 但周宁表示 LHC 的搜寻 得突破 第二步则是在 2040 年左右开 理解看来 如果暗物质粒子和标准模型 越 LHC 从而全面寻找新物理 准模型粒子对撞产生出暗物质 同样 文/祝叶华 科技导报 编辑部 责任编辑 陈广仁 陈广仁 37

22 访谈 张同杰 北京师范大学天文系教授 教育部新世纪人才获得者 国际天 文联合会 IAU 宇宙学分会会员 天河二号 天河二号 助力探寻暗物质 随着科学技术的向前推进 人类对宇宙大爆炸的认识也 在不断提升 卫星和基地观测设备对宇宙微波背景的观测数 据成果让人类以更精确的数据认识早期宇宙 不过 人类对 宇宙 137 亿年的演化历程仍然知之甚少 虽然观测技术在近 几年取得了巨大的进步 但理论模拟和计算机模拟等模拟技 术仍然是天文学家探索未知宇宙的有力工具之一 暗物质占宇宙成分的 26.8% 在宇宙中纵横交错编织了 20 世纪 80 年代末至今 以 MPP 系统及工作站集群系统的研 制为主 近几十年来 中国高端计算机系统研制发展迅速 使中国成为继美国 日本之后 第 3 个具备研制高端计算机系 统能力的国家 张同杰分析 随着超级计算机的快速发展 目前国际上 一些研究团队已经成功模拟了暗物质的存在 例如 2010 年 丹麦哥本哈根大学尼尔斯 玻尔研究所的天体物理学家 一张巨大而看不见的网 被认为是促成星系 恒星和行星产 在大范围不同类型的暗物质晕的基础上建立了一个计算机 生的原因 影响了宇宙结构的形成 由于其不能为肉眼和现 模型 丹麦的理论学家认为 在星系外围环绕许多暗物质 时的探测设备所发现 它的成分和结构都是一团迷雾 2015 晕 包括银河系的大多数的星系都镶嵌在这种暗物质晕当 年 5 月 北京师范大学天文系教授张同杰领衔的由北京师范 中 但让人不解的是 除了经由重力的作用之外 这些暗物 大学 国防科技大学 加拿大理论天体物理研究所 北京大 质晕似乎与星系内的物质和能量没有任何的交互作用 在 学 中国科学院高能物理研究所联合组成的宇宙中微子数值 这一基础上拟建的模型表现出了完美的平衡感 研究人员通 模拟团队 经过一系列技术攻关 在 天河二号 上成功进行 过对模型周围能量做出调整 施以可改变暗物质结构的力 了 3 万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟 揭示了 宇宙大爆炸 1600 万年之后至今约 137 亿年的漫长演化进 后 所有的暗物质晕的状态都向同一形式发生改变 这与恒 星模型所作出的反应截然不同 由此研究人员首次发现了 程 科技导报 采访了张同杰 请他为读者解读这一世界级 暗物质具有一个 吸引区 就是暗物质晕 它在温度状况 科研成果 和暗物质密度间起着特别的联系 超级计算机与暗物质 未知的暗物质占据了宇宙中 82%的物质 其产生的引力 作用是推动宇宙演化的关键因素 因此对宇宙的研究不可避 免地要涉及到暗物质 张同杰说 超级计算机作为暗物质探 2013 年 日本筑波大学一个研究小组宣布 他们利用日 本最强的超级计算机 京 成功模拟演算了约 2 万亿个暗物 质粒子在初期宇宙空间的运动情形 模拟演算结果显示了 约 2 万亿个粒子由于相互作用的重力而集中 产生了构造物 的过程 除此之外 美国的天体物理学家也在计算机上模拟 测 3 种主流方法之外的 第 4 种 手段 通过间接手段来模拟 得到了暗物质 段为探测宇宙中暗物质打开了一扇新的大门 有望大大缩短 队成功完成了 3 万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模 和计算暗物质 天文学家认为 超级计算机通过天文观测手 人类探索宇宙起源与演化奥秘的时间进程 会对基础科学 宇宙环境 地球生态 矿藏勘探等领域的科学研究将起到积 极的推动作用 谈及中国超级计算机的发展历史 张同杰说 与世界其 他发达国家相比 中国的超级计算机研制起步较晚 始于 20 世纪 60 年代 至今大体经历了 3 个阶段 20 世纪 60 年代末到 70 年代末 以大型机的并行处理技术研究为主 20 世纪 70 年 代末至 80 年代末 主要从事向量机及并行处理系统的研制 年 5 月 张同杰领导的中国宇宙中微子数值模拟团 拟 张同杰自豪地说 日美等国很早就开始了在计算机上模 拟暗物质 但 天河二号 成功地运行了含有中微子和暗物 质的 3 万亿粒子数的宇宙学数值模拟 远超之前 1.5 万亿粒子 数的世界纪录 成为目前世界上运行粒子数最多的 N 体数值 模拟 张同杰的研究团队在 天河二号 上模拟了宇宙从大 爆炸之后 1600 万年开始至今天的约 137 亿年的漫长演化过 程 产生了大于 PB 级的科学数据

23 研究团队探测到的结果进行对比 可以进一步为暗物质存在 提供证据 也可以为实际观测暗物质的存在提供新的手段和 理论 张同杰同时强调 用 3 万亿粒子做模拟是史无前例的 美 国最大做到了 1.5 万亿粒子数的规模 进行多达 3 万亿粒子 数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟 目前世界上只有 天 河二号 能做到 粒子数越大 模拟出的宇宙演化过程也就 越清晰 可以把原来无法呈现的天体物理细节模拟出来 而 张同杰 右一 及其研究团队 计算机上如何 观测 暗物质 暗物质的探测手段主要有地下探测 太空探测和对撞机 上创造暗物质粒子 3 种 那么 天河二号 在暗物质探测领域 这对计算能力提出了更高的要求 张同杰研究团队启用了 天河二号 全系统中的 1.4 万个结点 共计运算 52 h 在 天 河二号 上模拟宇宙大爆炸之后 1600 万年至今的演化过程 主要是通过中微子 暗物质 以及中微子与暗物质的比对来 计算的 担当怎样的角色 它又是如何助力暗物质探测的呢 这个看似极其专业的研究 说白了就是用虚拟的 3 万亿 颗粒子模拟宇宙演化的过程 张同杰说 在计算机模拟中 宇宙形成初期 这 3 万亿虚拟粒子就像散沙一样分布在盒子 中 随着时间推移 科学家根据天体物理与宇宙学模型设计 好的引力作用下 这些粒子会相互聚合 分散 模拟宇宙的演 化过程 他们的模拟正是要尽可能还原宇宙中微子和暗物 质在宇宙中的真实演化情况 宇宙中除了暗能量以外 暗物质在物质领域中占比非常 大 通过引力透镜和星系旋转曲线可以证明暗物质的存 在 天河二号 在假定暗物质存在的基础上 模拟暗物质构 成的构成结构 再与宇宙中的结构形成对比 目前的探测手 段只能探测当前宇宙的发展形态 无法观察描述宇宙的整个 演化过程 但是通过超级计算机 却可以很好地模拟宇宙 137 亿年的发展过程 呈现整个宇宙的演化历史程 另一方面 从理论上讲 有些理论研究到了非线性阶段 就无法进行下 去了 因为无法得到分析解 这时候就只能应用数值解 那么 超级计算机的作用就逐渐重要起来 张同杰说 探测暗物质不是我们的最终目的 暗物质只是我们课 题的一部分 我们模拟出来的是宇宙的结构 将模拟出来的 结构与望远镜观测到的宇宙进行对比 最终的目的是通过 计算机模拟 从天文物理的角度 进一步加深对宇宙的认 识 张同杰说 模拟演算显示粒子由于相互作用的重力而集 中 产生了构造物的过程 这将有助于弄清暗物质的性质和 宇宙是如何诞生的 同时将 天河二号 的模拟结果与其他 天河二号 超级计算机 图片来源 凤凰科技 但与其他领域相比 宇宙数值模拟对运算存储能力的要 求更高 于是 数据存储的问题就凸显出来了 我们的在一 个时间节点上模拟输出的数据就有约 30 T 整个模拟完成产 生的数据量是 P 量级的 张同杰说 下一阶段他们的目标是 把黑洞和虫洞的形成过程加进模拟中 那么现如今 P 量级的 数据量在将来可能会达到几百 P 如此大的数据存储将会成 为 天河二号 的不得不解决的一个重要的问题 后续数值模拟期待解开暗物质粒子性质之谜 2015 年我们对外发布的成果 仅仅是第一批的初步运 算分析结果 目前这批数据的运算已经全部完成 下一步我 们的工作重心是基于这些数据进行一系列的模拟 这当中 主要是针对暗物质的模拟 也会与其他团队观测的结果进行 对比 同时我们也非常希望能与国际上其他的观测团队合 作 请他们用我们的数据进行对比分析 张同杰说 接下来 的数值模拟基本上就是科学的问题了 他们非常期待着在 不久的将来能够利用模拟出的结果揭示中微子在宇宙演化 中作用的详细细节 进一步在宇宙中微子质量顺序及其绝对 质量限制上取得重要进展 并借此探寻暗物质的性质之 谜 他说从天文物理角度 通过数值模拟 会让人类对宇宙 的认识又近了一步 虽然目前看来 暗物质的模拟对人类现 实的生活没有直接的作用 但这会对科学有推动的作用 尤 其是对粒子物理将是革新性的突破 文//祝叶华 科技导报 编辑部 天河二号 超级计算机 图片来源 科技日报 责任编辑 陈广仁 陈广仁 39

24 科技纵横 引力波之后的下一个重大科学目标 引力波之后的下一个重大科学目标 暗物质 广义相对论的 4 大推论及其验证 年 期 间 理 论 物 理 学 家爱因斯坦 Albert Einstein 根据广义 相对论提出了 4 大推论 1 水星每百年 43 s 的剩余进动 波源距离地球都十分遥远 传播到地球 是进一步验证了爱因斯坦广义相对论 时变得非常微弱 哪怕是很强的天体 而暗物质的阐明将极大地影响现有理 物理引力波源所释放的引力波强度 到 论大厦 并有可能推动人们去建立全新 达地球时在整个地球这么大的尺度上 的物理理论 产生的空间畸变不超过 m 大约只 2 引力透镜效应 即光线在强引 比质子大 10 倍 可见探测之难 3 引力红移 引力场中的时钟变 日宣布 他们利用激光干涉引力波天文 力场中发生弯曲 产生透镜效应 慢 从恒星表面射到地球的光线谱线会 产生红移 4 引力波 大质量天体加速运动 引起时空曲率变化 以波和光速在宇宙 空间传播 上述第 1 个问题 爱因斯坦根据广 义相对论把行星的绕日运动看成是它 在太阳引力场中的运动 由于太阳质量 造成周围空间发生弯曲 从而最靠近太 阳的水星产生了每百年 43 s 的剩余进 动 这与观测给出的剩余进动量完全符 合 从而给出了完满的解释 对于第 2 个推论 1919 年日全食期 美国 LIGO 协作组 2016 年 2 月 11 台 LIGO 于 2015 年 9 月 14 日首次探测 到 13 亿年前 2 个质量分别为太阳质量 的 36 倍和 29 倍的黑洞碰撞而并合发射 然而 暗物质却很像中国传说中的 鬼 天文学家通过大量观测事实肯 定它的存在 是宇宙中所有可见星球 星系 热气体质量总和的 5 倍以上并有 可能决定着宇宙的命运 但是 物理学 家们上天入地苦寻多年 却始终没有找 到暗物质的踪影 暗物质是什么 在哪 出的强引力扰动 在这个过程中大约有 里 它有什么特征 力波释放出来 在约 0.5 s 时间里接收 状取决于宇宙间质量的多少 如果宇宙 250 Hz 证实了引力波的存在 密度必须达到 g cm3 但是 根 相当于 3 倍太阳质量的物质转化为引 到的引力波频率从 35 Hz 迅速增加到 引力波的发现意义重大 从理论意 义上 广义相对论实验验证中最后一块 拼图 被填补了 从科学意义上看 由 于引力波是唯一能逃出黑洞的辐射 我 们将可以直接观测到黑洞的内部 另 根据爱因斯坦广义相对论 宇宙形 是有限封闭的 那么宇宙中物质的平均 据天文观测 宇宙中似乎并没有这么多 物质 还有大量物质我们没有看到 1932 年 美国加州理工天文学家 Fritz Zwicky 观 测 螺 旋 星 系 旋 转 速 度 时 发现星系外侧的旋转速度较牛顿重 间 爱丁顿 A. S. Eddington 等率领的 2 外 由于电磁波观测只能探测到宇宙再 力理论预期的快 据此推测在这些星系 电离之后的宇宙过程 无法探测到宇宙 中必定还有更多的物质存在 否则将无 观测结果分别为 1.61±0.30 和 1.98± 暗黑时期之前 即大爆炸之后约 40 万 法约束住那些星系外侧快速旋转的天 1975 年人们通过对类星体进行观测 观 宇宙大爆炸初始时刻 这种大爆炸之初 质 Dark Matter 几十年来 人们通过 对于第 3 个推论 1925 年 亚当斯 以探测到 被称为原初引力波 一旦发 以来 美国女天体物理学家 Vera Rubin 支观测队分别赴西非和巴西两地观测 0.12 与理论预期基本吻合 1974 测值与理论计算值的偏差不到1% W. S. Adams 利用美国威尔逊山天文 年之前 的过程 而引力波可以产生于 的引力波在 137 亿年后的今天仍然可 现了原初引力波 就可以揭开宇宙的各 体 他将这些看不见的物质称为暗物 大量天文观测 尤其是 20 世纪 70 年代 大量仔细的工作 基本上肯定了在宇宙 台的望远镜观测天狼星的伴星 这颗伴 种谜团 甚至了解宇宙的开端和运行 中确实存在大量的暗物质 目前 多数 星是白矮星 观测它发出的谱线 得到 机制 人都接受这样一个事实 在宇宙的整体 德 R. V. Pound 和雷布卡 G. Rebka 下一个重大科学问题 暗物质 星 恒 星 星 系 以 及 各 种 热 气 体 的 物 移 得到的结果与理论值相差小于 5% 临的下一个重大科学发现会是什么 们认为几乎是不可能的 因为在地球上 目标应该是暗物质 2012 年 Science 这种效应太弱了宇宙中大质量天体的 把暗物质问题列为人类面临的重大科 的频移与推论基本相符 1959 年 庞 成功地运用穆斯堡尔效应检测引力频 对于引力波的探测 长期以来被人 那么 引力波都发现了 人们所面 呢 许多科学家和媒体都认为 下一个 加速 碰撞和合并等事件可以形成强大 学难题之首 比起引力波 发现暗物质 的引力波 但能产生这种较强引力波的 似乎更加重要 因为 引力波的发现只 40 构成中 可见物质占 4.9% 包括组成行 质 暗物质占 26.8% 暗能量占 68.3% 即暗物质是可见物质的 5 倍以上 人们也曾经试图通过修改引力理 论去解释有关暗物质的观测结果 即所 谓 MOND 理论 但是 随着大量引力透 镜观测结果的发表 修改引力理论的途 径越来越不被人们看好 人们更倾向于

25 相信暗物质确实是存在的 提到暗物质 人们马上便会想到另 中教授领导的国际探测团队使用国际 的中国暗物质粒子探测卫星 悟空 发 空 间 站 上 的 阿 尔 法 磁 谱 仪 AMS 是 射升空 悟空 探测器的观测能段是 一个同样也是谜一样的东西 暗能 2013 年以来灵敏度最高 最复杂的一 联系 但是它们的区别也是很显著的 历时近 18 年完成 耗资 20 多亿美元 中 量 Dark Energy 二者很可能有某种 暗能量的基本特征是具有负压 在宇宙 中均匀分布 完全不结团 驱动宇宙加 速膨胀 而暗物质的压强是非负的 具 有显著的成团性 暗物质自身不发射 不吸收 也不 AMS 的 10 倍 能量分辨比国际同类探 台暗物质探测设备 由 600 余名科学家 测器高 3 倍以上 是目前世界上观测能 国许多科研机构和大学的科学家也对 探测卫星 它将在太空中通过对高能 这个项目发挥了重要作用 实验可能 电子及高能伽马射线探测 反演暗物质 持续 15~20 年 2013 年 2 月 该研究团 队甚至透露他们可能找到了 WIMP 的 某种迹象 段最宽 能量分辨率最优的暗物质粒子 粒子湮灭的证据 并研究暗物质的物理 特性和空间分布规律 虽然设计建造的探测器越来越精 反射任何电磁波 不参与电磁相互作 暗物质粒子也可能通过对撞而湮 密和灵敏 但是 不能不说的是 迄今所 用 它们是什么呢 关于暗物质的本质 灭 产生伽马射线或正负粒子对 如此 有的暗物质探测实验 无论是地下 南 人们至今几乎仍然是一无所知的 著名 可能会在星系晕生成大量伽马射线 反 极 还是在太空 都没有得到暗物质明 天体物理学家陆埮教授曾将迄今人们 质子和正电子 EGRET 伽马射线望远 对暗物质的认识归纳为 1 不参与强 相互作用和电磁作用 最多只参与弱相 互作用和引力作用 因此也不带电荷 2 寿命很长 3 冷 即静止质量大 暗物质粒子也称为宇宙粒子 镜曾经观测到了超出预期量的伽马射 线 但科学家认为这多半是来自系统中 的 效 应 2008 年 6 月 11 日 启 动 的 Fermi 伽马射线太空望远镜则正在搜寻 当然 利用高能加速器直接打出暗 子候选者主要有 弱作用大质量粒子 物质粒子并研究其特性是最有说服力 Neutralino 轴子 磁单极子等 针对不同的暗物质候选粒子 人们 先后设计建造了不同类型的探测器 例如 如果暗物质是 WIMP 则宇宙中 将 存 在 大 量 的 WIMP 粒 子 当 一 个 WIMP 粒子偶尔撞上一个原子核时 会 际最灵敏的 LUX 为期 3 个月的搜索实 验表明 没有暗物质存在的任何迹象 这让人们非常失望 人们在思考 暗物 质到底是什么呢 暗物质湮灭产生伽马射线的事件 Cosmion 人们认为可能的暗物质粒 WIMP 中 微 子 Neutrino 微 中 子 确存在的证据 尤其是 2013 年 10 月国 的办法了 人们期望欧洲的 LHC 在这 方面能有所作为 中国在暗物质粒子的探测方面也 一直紧追国际前沿 在地下探测方面 位于四川大山深处的中国锦屏地下实 验室是全世界最深的暗物质探测实验 室 位 于 地 底 深 处 2.4 km 的 岩 石 之 暗物质 打开物理学更深层次 理论大门的钥匙 20 世纪 人们建立了粒子物理学 标准模型 可以解释迄今为止的所有加 速器实验的观测结果 尤其是 2012 年 在欧洲核子中心 CERN 的巨型强子 对撞机 LHC 上发现 Higgs 粒子 使粒子 物理学标准模型完美收官 但是 粒子物理标准模型无法包含 散射原子核 使之和周围其他原子核发 下 实验室上方厚厚的大理石岩层既 暗物质粒子 因为标准模型根本就无法 生碰撞 探测这些碰撞所释放出的热 可拦截大部分宇宙射线 使其数量降至 容忍既稳定 不带电 相互作用弱而同 量和闪光可以反推 WIMP 的性质 这 类探测必须排除宇宙射线的背景噪声 地面水平的 10-8 同时 其天然辐射本 底也非常低 条件得天独厚 实验室 因此一般都将探测器安置在地下深处 2010 年启用后 有两个实验组进驻 分 SNOLAB 地 下 实 验 室 意 大 利 Gran 海交通大学主导的 PandaX 实验 2014 如 美 国 Soudan 和 DUSE 加 拿 大 Sasso 国家实验室 英国的 Boulby 以及 别是清华大学主导的 CDEX 实验和上 年 CDEX 实验组得到了目前同类探测 中国四川锦屏地下实验室等 美国南 器上国际最灵敏的实验结果 进一步缩 达科他州 大型地下氙实验 LUX 拥 小了暗物质可能存在的区域 PandaX 300 kg 液 态 氙 的 探 测 器 被 冷 却 到 - 实验数据 对以往国际上所有发现的疑 有世界上最灵敏的 DM 探测器 盛有 采用液氙技术 2014 年也公布了首批 101 当暗物质粒子同氙原子发生碰 似轻质量暗物质信号提出了质疑 目 捉 到 最 近 LUX 开 始 全 面 升 级 为 成 核心区液氙规模进一步扩大 2 个 撞时 将产生微弱的光 能被探测器捕 LUX-Zeplin 探测器中液态氙的量将增 前 PandaX 实验二期扩建升级接近完 实验组最近发表的成果 真正使得中国 加到 10 t 预计 2018 年开始观测 暗物质搜寻努力走到了国际最前沿 物质粒子的踪迹 由著名物理学家丁肇 由中国科学院紫金山天文台主导研发 另外 人们也试图在外太空捕捉暗 在空间探测方面 2015 年 12 月 18 日 时质量又很大的粒子.因此 暗物质粒 子必然是某种超出标准模型以外的新 粒子 需要新的更基本的物理理论.而 确定暗物质粒子的基本性质便成为建 立这个新理论的突破口 诺贝尔物理 学奖获得者李政道曾多次指出 暗物 质是笼罩 20 世纪末和 21 世纪初现代物 理学的最大乌云 它将预示着物理学的 又一次革命 2012 年 Science 将暗物 质问题列为人类目前面临的重大科学 难题之首 很多前沿科学家都有这样 的预感 今天物理学所面临的状况与 19 世纪末 20 世纪初诞生相对论和量 子力学时是类似的 人们相信 暗物质 更像一把钥匙 有可能打开物理学更深 层次理论的大门 文/谭宝林 中国科学院国家天文台 编辑 祝叶华 祝叶华 41

26 科技导报 2016,34(5) 专栏 宇宙的阴暗面 : 暗物质与暗能量 我的师祖, 约翰 惠勒 (John Archibald Wheeler), 曾经简洁地概括 几何动力学 一个他个人更喜爱的对广义相对论的称谓 : 时空告诉物质如何运动, 而物质告诉时空如何弯曲 宇宙学家通过观测原子 ( 以气体或恒星形式存在 ) 的运动或者追踪光在宇宙中穿越的路径去推测时空的曲率, 然后他们利用这些对于时空曲率的测量去推断宇宙中物质和能量的分布 在本评论中我将探讨各种观测技术, 虽然人们都利用广义相对论来理解藉由这些技术获得的观测数据, 并最终给出了同一结论, 即宇宙中我们熟知的原子类物质仅占 5% 付出代价的标准宇宙学模型对星系和类星体大尺度的分布观测表明, 宇宙在其最大的结构层次上是近似均匀的, 并且遥远星系的退行速度是与其距离相关的 由此广义相对论认为我们生活的这个产生于大爆炸的宇宙, 当前正处在膨胀中 正因为宇宙在膨胀, 所以由遥远星系到达我们的光看起来向频率红端偏移了 哈勃 (Hubble) 的观测发现, 星系红移和其距离间存在一个线性关系, 这最终使人们在 19 世纪 20 年代建立起一个基本的宇宙学模型 我们当前的宇宙学模型认为, 广义相对论和粒子物理的标准模型可以很好地描述宇宙演化的基本物理过程 该宇宙学模型假定宇宙的大尺度几何是平坦的, 即宇宙的总能量为零 这意味着我们在中学数学学过的欧几里德几何在宇宙学尺度上是适用的 尽管宇宙的几何是简单的, 然而其物质构成却十分奇特 : 宇宙的构成不仅包含原子 ( 主要是氢 氦 ), 还包括暗物质和暗能量 当前最流行的宇宙学模型认为, 在大爆炸不久, 宇宙经历过一个膨胀极快的时期 在这个暴涨阶段, 可见宇宙的体积至少膨胀了 e 180 ( ) 倍, 而宇宙微波背景辐射 (CMB) 则是这个暴涨时期的热遗迹 暴涨也将极微小的量子涨落放大成为密度扰动 ( 译者注 : 密度扰动是宇宙中诸如星系等结构形成的种子 ) 暴涨模型预言这些涨落具有 近似的标度不变性 : 即在任何尺度上涨落都有相同的振幅 这些密度扰动产生的 声波 ( 译者注 : 该声波不同于人们通常耳朵听到的声波, 相同之处则在于这些最早的 声音 也是源于温度 压力的扰动 ) 在宇宙中传播, 并在星系的大尺度分布和遍布星空的宇宙微波谱中留下了遗迹 我们对微波背景的观测是开启大爆炸后 38 万年的宇宙的一扇窗 在这样一个时期, 质子和电子开始中和形成氢原子, 而一旦中和过程将宇宙变为电中性, 微波背景光子就可以自由传播, 所以 声波 标记着一个特别的尺度 38 万光年 这样一个特殊的尺度 重子声波尺度, 可以作为一把测量时空几何的宇宙学标尺, 因此也决定着宇宙的密度 利用来自天空和地面望远镜对宇宙微波背景谱中温度及极 化涨落的观测, 我们可以检验标准宇宙学模型, 并获得其相关参数 令人惊奇的是, 仅有 6 个独立参数 宇宙的年龄 原子的密度 物质的密度 第一颗恒星形成的时期 原初密度涨落的振幅及该振幅的标度依赖性 的宇宙学模型, 足以细致地拟合目前已知的微波背景测量给出的所有统计学特性 该模型同样可以拟合星系大尺度分布的观测 Hubble 常数的测量 宇宙膨胀率和超新星测距的结果 只是如此惊人的成功必须付出的代价是 : 原子在我们可观测宇宙中物质 能量密度中所占的份额不到 5%; 宇宙学的标准模型认为星系质量中占主导的是暗物质, 而绝大部分的宇宙能量密度则是由暗能量 某种真空具有的能量 所占据 ( 图 1) 天文观测和宇宙学理论认为宇宙的结构要比我们可以想象到的复杂丰富得多 正如图 1 所示, 目前对于宇宙物质构成的最佳推测是, 暗能量 暗物质 重子物质 3 类不同的中微子还有光子共同构成了我们可观测宇宙的能量密度 尽管黑洞是最低概率的暗物质的候选者, 它们对于宇宙质量密度的贡献大约仅仅是恒星物质的 0.5% 图 1 构成宇宙的多种组分暗能量占宇宙质能密度的 69%, 暗物质占 25%, 普通 的原子物质占 5% 其他可观测的次要成分包括:3 种中微子至少占 0.1%, 宇宙微波背景辐射占 0.01%, 黑洞不少于 0.005% 暗物质的天文学证据暗物质的天文学证据要远早于我们对微波背景辐射 超新星的观测, 也要远早于我们对大尺度结构的测量 在一篇发表于 1933 年的文章中, 弗里茨 兹威基 (Fritz Zwicky) 极具预见性地指出, 后发座星系团中星系的速度要远高于人们之前从星系质量推测的结果, 这就预示着该星系团中尚有许多未被估算到的额外质量 在 20 世纪 50 年代,Kahn 和 Woltjer 则提出, 只有 42

27 科技导报 2016,34(5) 将相当可观质量的不可见物质包含在内, 本星系群 (Local Group of Galaxies) 才可能是动力学稳定的 到 20 世纪 70 年代, 天文学家论证指出无论是星系还是星系团中的质量都是随银盘半径增加的, 而不是循迹光度 理论从星系银盘稳定性出发, 要求星系周围存在暗物质晕圈的论述则进一步强化了前述论点 研究系外气体运动的天文学家则在越来越多的星系系统中找到了大质量晕圈存在的证据 到 20 世纪 80 年代, 暗物质渐渐成为宇宙学范式中已然为学界接受的部分 那么由当前的宇宙学观测出发, 我们对于暗物质又知之如何呢? 微波背景辐射和大尺度结构的观测显示暗物质比普通的重子物质多 5 倍 观测也表明, 暗物质和光子 电子及质子等通常物质的相互作用非常微弱, 甚至可能完全没有 如果演化到今天的暗物质是由重子物质构成的话, 那么在宇宙早期则应是由离子 电子等构成, 如此则必然会在微波背景谱中留下清晰的印迹 因此, 暗物质必然是非重子物质, 且必须是暗的 大尺度结构的观测和对星系形成的模拟则表明暗物质还必须是 冷 的, 即暗物质粒子必须可以在小尺度成团 对存在冷暗物质 ( 也包括暗能量 ) 的结构形成的数值模拟可以成功地重建出星系大尺度分布的观测结果 若与对宇宙冷却及恒星形成的水动力学模拟相结合, 则可成功重建出观测给出的星系的基本特性 特大质量的星系团可作为人们研究暗物质性质的重要实验平台 观测给出这些星系团中暗物质与普通物质的比值非常接近于宇宙中的观测值, 所以这些星系团被认为是宇宙的恰当样本 由于星系团气体中的绝大多数原子都是已电离的物质, 所以 X- 射线段的观测可以直接追踪普通重子物质的分布 正如 Zwicky 指出的, 对背景星系的引力透镜的观测可以直接追踪到星系团中总的物质分布的痕迹 Zwicky 建议 75 年之后的今天, 天文学家利用哈勃太空望远镜上的大像幅相机, 已能对成团的暗物质分布进行细致地测绘 这些观测揭示出星系团中存在非常可观的暗物质的子结构, 而这与对暗物质与星系团的数值模拟是普遍一致的 在更小的尺度上, 矮星系则是检验暗物质理论的又一重要天文学观测平台 因为这些暗物质占主导的引力系统的引力势阱的深度非常浅, 所以理论预言的矮星系暗晕的性质对暗物质 ( 的特性 ) 十分敏感 有几个研究组表示矮星系的观测特性与数值模拟的预言不符 尽管部分天体物理学家声称改进了的模型 ( 其中考虑了恒星形成的反馈效应 ) 可以弥合观测与数值模拟间的不符, 其他人则建议要弥合该差异, 需要考虑的应是暗物质间的自相互作用 所有关于暗物质存在的天文学论断都假定了在星系尺度上广义相对论是适用的 不过修正的引力理论 (MOND), 例如修正的牛顿动力学, 则是通过修改引力来避免引入暗物质 尽管这些引力模型在星系尺度上已经获得了某些唯像上的成功, 但在拟合对微波背景涨落及星系团的观测方面, 尤其是在拟合子弹星系团的观测上还存在极大的困难 大多数理论物理学家则认为这些修正引力模型缺乏源自更为根本的基本原理的动机 什么是暗物质? 非重子型暗物质的存在预示着必然存在超出粒子物理标准模型的新物理 粒子物理学家已经给出了非常多的建议, 其中 一些出发点源自基本理论, 另一些则源自解释天文观测现象的需要 极早期的宇宙无疑是一个不可思议的极高能量的粒子加速器 在大爆炸的极早期, 宇宙处于高温高密状态, 宇宙背景辐射产生了巨量的粒子 宇宙微波背景实验已经探测到了产生于极早期宇宙的大量中微子的可观测信号 该时刻也可能产生了大量的暗物质粒子 超对称, 一种目前研究最多的超出粒子物理标准模型的新理论, 提供了暗物质的潜在候选者 通常粒子可以被分为两类 : 玻色子和费米子 费米子服从泡利不相容原理, 每一个粒子仅占据一个量子态 ; 而同一个量子态可以存在许多玻色子 例如, 电子是费米子而光子是玻色子 超对称很可能是自然界的又一种对称性, 它意味着每一类玻色子都有费米型的超对称伴子, 反之亦然 超对称意味着过多的新粒子 : 光子的费米型超伴子是光微子 (photino), 而电子的玻色型超伴子则是超电子 (selec tron) 建造大型强子对撞机(LHC) 的目标之一便是寻找这些尚未发现的超对称粒子 最轻的超对称粒子 (LSP) 有可能是稳定的 而宇宙最初的几分钟可能会大量产生这些粒子 对于某些参数的超对称模型, 大量的 LSP 正好可以解释观测到的大量的暗物质 这个 巧合 是宇宙学中所谓的 WIMP 奇迹 的例子 所谓的 WIMP 指的是一种相互作用极为微弱的大质量粒子, 这类粒子通过交换某种质量可与 Higgs 粒子质量相比拟的粒子发生相互作用, 从而恰好具有暗物质所要求的特性 粒子物理还预言了其他存在很好的理论动机的粒子, 包括轴子 不对称暗物质粒子 ( 译者注 : 其丰度由粒子 - 反粒子间的不对称性, 而非由其反应截面决定 ) 如果 WIMP 粒子是暗物质粒子的话, 我们就可以由几类不同的方法探测到 : 一是利用高能粒子加速器产生并探测 ; 二是由深埋地底的实验观测 ( 译者注 : 以屏蔽宇宙线等环境干扰 ); 再则是利用天文学观测 这些可能探测到暗物质的方法已经催生出积极寻找暗物质的计划 该探测计划也已经有许多令人激动的事件, 产生了不少疑似的实验信号, 未来如被证实, 很可能成为人们首次探测到暗物质的标志 1) 位于意大利格兰萨索的格兰萨索暗物质实验 (DAMA) 声称其探测器已经观测到一个随年度调制的事件, 其波动形式恰好与理论预测一致 然而对该结果的理解仍然是富有争议的, 因为其他实验组并没有探测到这样的暗物质事件, 其他实验的结果甚至似乎与格兰萨索所声称的相冲突 2) 不少实验组声称探测到来自于银河系中心的 γ 光子超出的信号, 银系中心非常可能是暗物质聚集的区域 因为星系中心的暗物质密度一般比较高, 很可能正是该处暗物质的湮灭使得此处极为明亮的高能 γ 光子产生 当然, 星系中心也含有丰富的可产生高能光子的其他天体物理活动 对于河外星系的搜索也预示着存在暗物质, 只是其质量有所不同 当然, 这样的说法 ( 即高能 γ 光子的超出可能来自于暗物质湮灭 ) 也有争论, 尚未确定 宇宙学家希望对近邻矮星的观测可以得到更为明确的信号 3) 银河系的暗物质湮灭原则上也会产生正电子 而宇宙线的探测正在搜寻这些信号 对这类搜索的挑战是如何将其与产生宇宙线的其他天体物理过程导致的信号区别开来 富有希望的是, 至少这些结果中的某一个会被未来的实验 43

28 科技导报 2016,34(5) 所证实 暗物质粒子的发现可能会解决天文方面长期存在的困惑, 为我们深入了解暗物质在星系和结构形成中所起的作用提供参考, 并将成为超出 Higgs 的新物理的最新预示 什么是暗能量? 当爱因斯坦建立广义相对论的时候, 他引入了一个宇宙学常数项 这一项可以产生与重力的吸引作用相反的斥力, 从而维持宇宙处于稳恒的静态 到了 19 世纪 20 年代, 哈勃的发现证明宇宙是膨胀的, 所以物理学家扔掉了这个宇宙学常数项 出于观测证据倾向于低密度宇宙的观测事实, 以及理论偏好于一个平坦宇宙的原因,20 世纪 年代, 天文学界对宇宙学常数的热情再一次被点燃 物理学家意识到宇宙学常数的值对基础物理而言是一个意义深远的问题 一个暗能量占主导的宇宙对于生活其中的人类而言是十分奇特的 我们普遍认为重力是一种吸引力, 如果你向上扔出一个球, 重力将延缓其向上逃离重力势阱的速度 同样的, 在宇宙学常数为零的情况下, 重力也会延缓宇宙膨胀的速度 想象一下, 如果你站在地面向上扔出一个球, 球反而被加速的情形是多么不可思议! 这正是宇宙学常数对宇宙的膨胀率所产生的效应 超新星的观测提供了宇宙加速膨胀的关键证据 超新星是一种极为耀眼的恒星爆炸事件, 且拥有几乎独一无二的峰值亮度 因此, 它们可以作为测量其所在星系距离的灯标 一旦确定了距离作为星系红移的函数, 就可以由超新星观测来衡量作为时间函数的宇宙膨胀率 在 20 世纪 90 年代, 超新星观测方面的天文学家报道了宇宙正在加速膨胀的惊人结果 在过去 15 年间, 已经积累了越来越多的宇宙加速膨胀的观测证据 无论是通过宇宙微波背景谱的测量, 还是对作为红移函数的星系分布的观测, 给出的重子声学振荡 (BAO,Baryon Acoustic Oscillation) 的特征尺度都可以回溯到红移为 1100 时的宇宙 ( 译者注 : 在时间上就是宇宙早期的质子 - 电子等离子体的复合阶段 recombination era, 大约是大爆炸 38 万年后的宇宙 ) BAO 的测量已然证实了宇宙的加速膨胀, 而对作为红移函数大尺度结构形成的测量则进一步证实, 宇宙确实是在加速膨胀 为何宇宙会加速膨胀呢? 研究最多的可能就是宇宙学常数 ( 或与之等价的真空能 ) 在推动宇宙加速膨胀 另一种可能则是在全空间弥漫着一种类似于 Higgs( 希格斯子 ) 或类似于引起早期宇宙暴涨的暴涨子随时间演化的标量场 这两种可能被统称 为暗能量 因为所有的暗能量的观测证据都建立在我们通过广义相对论去解释宇宙的膨胀和演化, 所以另一种思路或许是宇宙学的观测可以用某种新的重力理论来解释 这类可能性包括了存在额外维的引力修正理论 宇宙加速膨胀的本源以及暗能量的本质究竟是什么, 这有赖于未来的观测去确定 我们的观测则可以测量两类不同的效应 : 一个是星系的红移和距离之间的关系, 另一个则是结构形成的速率 如果广义相对论在宇宙学尺度上是适用的, 那么这两类测量理应给出相互一致的结果 自然, 测量也将揭示出暗能量的基本性质 天体物理学家目前正在同时运行好几个雄心勃勃的探测计划, 其目的一则是利用星系团的测量及超新星的观测得到天体离地球的距离 ; 另一则是利用引力透镜的观测给出大尺度结构的形成速度 宇宙微波背景谱的观测则可以提供独立于引力透镜的结果, 并与上述计划互为补充 对宇宙微波背景的观测同时也将提供更精确的宇宙学结构的描述 在下一个 10 年里, 更强大的观测也许有望绘制出宇宙过去 100 亿年的大尺度结构蓝图, 并能探测出天球上绝大多数星空的物质分布 这些观测将为我们更深刻地洞察宇宙加速膨胀的起源提供必要的信息 结论尽管广义相对论诞生于 100 年前, 已经是一个相当成熟的理论, 然而在宇宙学中它仍然是一个十分强大, 同时也是一个颇具争议性的理论 它是我们目前宇宙学模型的基本假设之一, 这样一个模型既可以极为成功地描述实验观测, 同时也预言了存在暗物质和暗能量这 两朵乌云 这意味着我们目前对物理学的理解仍然是不完善的 我们也许需要一个如同广义相对论一样意义深远的新想法来解释这些奥秘, 自然也需要更强大的观测和实验去照亮我们对宇宙产生更新 更深刻认知的征程 ( 原文刊载于 2015 年 3 月 6 日 Science 杂志, 标题 The dark side of cosmology: Dark matter and dark energy ) 文 /David N. Spergel 作者简介 : 普林斯顿大学教授译 / 肖智译者简介 : 华北电力大学数理系讲师 ( 责任编辑 王丽娜 ) 44

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