从古至今，一股看不见、无法触摸和感知的力量在左右着宇宙，深深地牵动着那些欲知“宇宙是何物，何物组成了宇宙”的科学家们。
4月5日，诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中主持的大型粒子物理实验——阿尔法磁谱仪（AMS）实验组在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了第一个物理研究结果，宣布发现超过40万个正电子，这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。
宇宙中无所不在又无迹可寻的暗物质似乎正从理论预言走向现实。作为当代粒子物理及天体物理领域的一个热门研究领域，暗物质究竟是什么？怎么样才能观测？对人类有什么意义？这些疑虑，再次萦绕在大众的心头。
■ 存在
科学家们证实：人类在宇宙中能看到的物质只占宇宙质量的5%，而95%的宇宙由我们看不到的“暗物质”和“暗能量”构成
仰望苍穹，我们看到的天体要么发光，如太阳以及数不清的繁星；要么反光，如月亮。但有迹象表明，宇宙中还存在大量人们看不见的物质。它们不发出可见光或其他电磁波，用天文望远镜观测不到，但它们能够产生万有引力，对可见的物质产生作用。
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质称为“暗物质”。
那么，暗物质的存在最早由谁提出？
据公开资料显示，1932年，荷兰天体物理学家奥尔特（J·H·Oort）在研究太阳附近的银河系物质密度时意外发现，这一区域所有恒星的质量总和只占计算得到的引力质量的30%-50%。换句话说，在太阳附近有一半以上能产生引力的物质是看不见的。他因此提出了银河系中存在大量暗物质的假说。
第一次发现暗物质存在的证据已是5年后。1937年，美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。这个有些复杂的推导表明，除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外，还存在其他引力。
弗里兹·扎维奇如此解释：遥远的星系团里有一些物质很独特，它们既不发散光，也不吸收光、反射光，它们对自然界的绝大多数“力”拥有免疫力，星系团似乎没有足够的可见物质可以将它们“捆绑”在一起。
不过在当时，弗里兹·扎维奇的这一观点还被当作“奇谈怪论”。
直至1970年，美国华盛顿卡内基研究所的女天文学家鲁宾（VeraC·Rubin）发表第一个清晰的观测证据，表明暗物质在星系中普遍存在，论证了“绝大部分星系都被暗物质所包围着”。
此后，科学家们证实：人类在宇宙中能看到的物质只占宇宙质量的5%，而95%的宇宙由我们看不到的“暗物质”和“暗能量”构成。
尽管暗物质看不见，但它的能量不可小觑。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质能量的5倍以上。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
这些复杂的概念已经足以把人绕晕。简而言之，为了解释宇宙为什么是现在这个样子，天文学家们提出了可能有暗物质存在。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。
对于平常人很难理解的暗物质，中科院南京紫金山天文台研究员常进这样解释：“这个物质很奇怪，不仅本身不发光，而且光线也射不进去，所以人是看不到的。最令人惊讶的是，它虽然摸不到，却有重量和引力，如果前面有个暗物质山，可能会将人压死。”近一个世纪以来，围绕暗物质到底是什么？如何产生？怎样才能观测？科学家们孜孜不倦地研究。有科学家甚至断言：谁能找到暗物质，谁就解决了21世纪最重大的物理问题，破解它的意义不亚于牛顿的地球引力论和爱因斯坦的相对论。
■ 追捕
暗物质粒子的实验探测方法大致可以分为直接探测法和间接探测法两类，中国科学家在追捕暗物质的过程中起到了不小的作用
物理学界的主流观点认为，暗物质是一种大质量、弱相互作用粒子，简称为WIMP。
中山大学物理科学与工程技术学院、空间技术中心主任何振辉教授告诉记者，暗物质粒子的实验探测方法大致可以分为直接探测法和间接探测法两类。
所谓直接探测法是指直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的光学、声学、电子学信号。由于发生碰撞的概率很小，产生的信号也很微弱，通常要把探测装置安装在地下深处，以排除宇宙射线的背景噪声。
目前各国都在加紧建设极深地下实验室。2010年12月，清华大学与二滩公司联合建立了中国首个极深地下实验室“中国锦屏极深地下暗物质实验室”，值得一提的是，实验室藏身于2400米的地下，是世界最深的地下实验室。
其次就是间接探测法。主要是观测暗物质粒子衰变或互相作用后产生的正电子、反质子、中微子等稳定粒子。由于地球大气的影响，在地面上无法精确测定粒子的能谱，这类实验必须要在空间进行。
另外，高能对撞机直接对撞也可能产生出暗物质粒子，比如位于瑞士和法国交界处的世界上最大的大型强子对撞机LHC就被寄予厚望。
此次让中国大众熟知的阿尔法磁谱仪（AMS）计划，即属于间接探测法。这是人类第一次在太空中使用粒子物理精密探测仪器和技术的实验，也是国际空间站上唯一的大型科学实验，目的就是为了探测外层空间反物质与暗物质。
AMS计划是一个国际性大型科研项目，迄今已吸引全球16个国家和地区的超过1500名科研人员参与。丁肇中从1994年开始寻找暗物质，至今已走过了18个年头。
2011年，美国奋进号航天飞机用自己的最后一次飞行将“阿尔法磁谱仪2”（AMS-02）送至空间站。美国媒体称其送上天的是一块“心血之结晶”，而“这台仪器如果按计划实现目标，探测到暗物质的蛛丝马迹，那它将给丁肇中带来人生中另一座诺贝尔奖杯”。
何振辉介绍，AMS在升空后的短短18个月之中，已分析了250亿个初级宇宙射线事件，其中实验组确认了680万个电子及其反粒子——正电子事件，这在数量上前所未有。AMS的第一个物理结果就是通过精密研究这680万个粒子得出的，作为AMS首篇论文于《物理评论快报》成功发表，这也是该实验18年来发布的首个结果。
探寻暗物质，既是各国科研机构和科学家的一场竞赛，也是一项合作，中国科学家正在其中发挥着更多的智慧与努力。
阿尔法磁谱仪有一颗强大的“中国心”——一块中国制造的巨大永磁铁。它由中科院电工研究所、高能物理所和中国运载火箭技术研究院共同设计研制，用于区分粒子带正电还是负电，是磁谱仪的核心部件。
不仅如此，阿尔法磁谱仪还有着广东制造的身影。中山大学自主研发了AMS上最主要的探测器——径迹探测器的热控系统，它在复杂的空间环境中保持探测器需要的稳定温度和热环境，相当于给AMS穿上了一件“保温衣”。中大参与热控系统研发的师生多达70余人。
中大2010级物理学博士研究生翁致力更是参与了实验组的数据重建和分析工作。翁致力回忆，丁肇中先生始终十分谨慎和耐心。“在他计划里，未来20年内，在距离地球近400公里的国际空间站上，阿尔法磁谱仪将收集到3000亿个数据。”何振辉也表示，这并不能完全从理论上证明暗物质的存在，还需要积累更多的数据来研究，目前的数据只相当于预期收集总数据量的1/10。
究竟有没有暗物质，人们期待着丁肇中团队的答案。目前，人类很有可能正处在一个新的物理大发现的前夜。
■ 三问暗物质
大部分老百姓只关心与生存息息相关的油米酱醋，面对头顶上那些遥不可及的物理实验，以及八竿子打不着的暗物质，也许会问：这一切于我何干？中山大学物理与工程学院空间技术中心主任何振辉向记者一一道来。
一问：研究暗物质有啥用？
“哥伦布发现新大陆，取决于对地球的认识和指南针、造船等关键技术。将来是否还有适合人类生存的星球，能否外星移民，也需要对宇宙空间环境的认知。”何振辉解释，无论是大型强子对撞机还是阿尔法磁谱仪，目的不仅仅是寻找暗物质或反物质，还有很多是为了科学研究和推动人类进步。
何振辉表示，科学正是由好奇心驱动的，人类还有很多未知领域，只有不断探索，才能丰富对宇宙的认识，扩充知识，人类文明水平才会提升。
从远古以来，正是好奇心驱动着人类探索未知，才有了文明的进步和今天的文明社会。也许对于老百姓而言，不需要看得那么远。但总有一部分人，尤其是好奇心很重的科学家，代表人类探索太空。
“科学总是先行一步。”何振辉说，如果将来人类要实现星际旅行或外星移民，首先就要认识清楚宇宙，哪些是“暗流礁石”，要克服什么困难。
二问：哪些研究技术可民用？
科学发现首先要有新的技术支撑。何振辉表示，在寻找暗物质的过程，也是人类不断实现技术突破、超越自我的过程。就拿中大参与阿尔法磁谱仪建造过程来说，就运用了大量的新技术，有些一旦转化成民用，将极大地推动人类科技进步，提高老百姓的生活。
阿尔法磁谱仪有颗“中国心”。但何振辉表示，其实差一点用了另一套方案——超导磁体。为了把超导磁体送入太空，让它在低温、微重力环境下工作，中国科学家花了非常大的精力。
目前，超导磁体在民用领域已应用颇多。比如，医院常做的核磁共振成像就运用了这一技术。早期的肿瘤很小，不易发现，但在磁场很强的超导磁体扫描下，就能现出原形。
何振辉表示，如果有朝一日太空旅行实现，必须要躲避高能粒子辐射，否则宇航员才走到火星一半，就会被烧死。假如航天器上装备超导磁体，就可以“模拟”地球磁场的保护作用，躲过高能粒子的直接辐射。“不过这还是一种美好设想。”何振辉表示。
此外，阿尔法磁谱仪项目中，中大在世界上首次研制出AMS上最主要的散热装置——轨迹探测器热控系统，将来也有很广阔的应用前景。这一系统有很强的散热功能，可用于复杂的空间环境中，保持轨迹探测器温度分布均匀、稳定的热环境。可广泛应用在高性能多用途的通信卫星、超级计算机机柜散热、风力发电的风机等。
三问：暗物质和反物质可否利用？
有人提出，现在能源日益短缺，既然暗物质和暗能量神通广大，是否有朝一日能开发利用？
何振辉表示，如果从科幻角度探讨，非常有可能。但在科学上，则是非常遥远的事，一定要有科学认识和依据。目前，人类对暗物质还知之甚少，“怎么回事还不知道，何谈开发利用。即便认识了，也不一定利用”。
比如，即便是人类认识很充分的核能，目前也只是掌握了核裂变技术，而且，人类对核的恐惧一直如影随形。至于核聚变，人类已经研究了几十年，但技术至今没有成熟。“能量大是好处，一旦控制不了，就是核弹。”何振辉说。至于暗物质、反物质，就算最后充分认识了，还涉及成本、市场以及技术支撑、安全利用等链条，目前讨论还为时过早。
[科学聚焦] 量子反常霍尔效应：或可借此突破摩尔定律束缚
近日，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，诺贝尔物理学奖获得者杨振宁称其为“诺贝尔奖级别的研究突破”。
中山大学物理学院教授姚道新认为，借助量子反常霍尔效应的发现，摩尔定律带来的信息产业瓶颈可能在未来突破，从而引发下一次信息技术革命，但要想实现这一愿景，仍然需要打败前进道路上的拦路虎——超低温。
材料中的“全能型运动员”
1879年美国物理学家霍尔发现，在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，受到洛伦兹力的影响，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在同时垂直于电流与磁场方向的导体两端产生电压，由于这种电压，电子将稳定地在导体的一侧流动。这一物理现象即被称为霍尔效应。
“电子一般以无规则运动的状态存在于大自然中，因此电流在传输中会存在能量损耗的现象，而霍尔效应可以成功地约束电子的乱跑乱窜，将电子限制在一侧流动。”姚道新解释，这能大大降低能耗。
在发现霍尔效应后的第二年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。
反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同。“这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生运动轨道偏转，产生反常霍尔效应的材料已经自发磁化，通过内建磁场产生霍尔效应”。
量子反常霍尔效应即是反常霍尔效应的量子化，这对材料性质的要求非常苛刻，姚道新介绍，首先需要这一材质内部必须绝缘，并且只有一维边缘态参与导电，“也就是只有材料的边缘地带可以通电”，具有这种特性的材料被称为拓扑绝缘体。
此外，材料必须要具有自发磁性从而不需要外界磁场，并且材料的化学成分必须乾净。姚道新说，研究相关课题的科学家把这种材料称为“全能型运动员”，即同时需要拥有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧。
自2009年起，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。4年间，团队生长、测量1000多个样品，生长出了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件。在极低温环境下，对其反常霍尔效应进行精密测量，终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值，使得这一世界难题得以攻克。
或引发下一次信息技术革命
姚道新认为，中国科学家实现的这一零磁场中的量子霍尔效应，可以利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。
摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登?摩尔所提出，他指出，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，大约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
然而，这一定律背后埋藏着技术障碍。集成电路的承载材料是硅片，但随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也呈指数增长，一旦芯片上线条的宽度只有纳米数量级时，材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，这意味着摩尔定律将走到尽头。
姚道新解释，摩尔定律的局限性在于一旦硅片线条宽度在纳米级时，由于已经在电子无规则运动的范围之内，乱窜的电子将会影响稳定电压的形成，从而使电流无法在两极电压之间顺畅流动。
突破摩尔定律的限制一直是信息产业的共同课题。运用量子霍尔效应来规范电子流向，一举打破“摩尔铁律”早在科学家的视野之内，但量子霍尔效应此前需要非常强的磁场，且所需的磁场价格昂贵、体积庞大。
而零磁场的量子霍尔效应恰恰使得制备低能耗的高速电子器件或可成为现实，例如极低能耗芯片的研制向前迈进了一大步，这意味着我们离更新换代的革命性个人电脑更近了一步。
但要把量子反常霍尔效应运用到实际中，仍有很长的路要走。姚道新表示，只有在绝对零度即零下273摄氏度以下才能观测到这一物理现象。但绝大多数的电子器件仍需在20摄氏度左右的室温、甚至是高温环境下运行。“要使量子反常霍尔效应能够成功地在常温下实现，材料必须要做得更加乾净，避免不必要的杂质。”
