上海交通大學(xué)李政道研究所副所長劉江來：2400米地下捕捉暗物質(zhì) 多次刷新國際紀(jì)錄

每經(jīng)編輯 易啟江 宋紅    

“上天入地”，國際科學(xué)界對暗物質(zhì)探索的競爭空前激烈，而中國科學(xué)家的研究有望引領(lǐng)世界。

看不見摸不著、占整個(gè)宇宙27%的“神秘物質(zhì)”被稱為“暗物質(zhì)”，是解開宇宙奧秘的關(guān)鍵。在埋深2400米的四川省涼山州錦屏山隧道，全球暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的杰出代表劉江來和他的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，正在用4噸級液氙探測器，織起一張細(xì)密的網(wǎng)，捕捉那些會(huì)隱身術(shù)的暗物質(zhì)粒子。

劉江來是上海交通大學(xué)李政道研究所副所長、PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家、江門中微子實(shí)驗(yàn)標(biāo)定負(fù)責(zé)人，他在接受《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者（以下簡稱NBD）專訪時(shí)，介紹了中國在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的最新進(jìn)展。他表示，暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)將對基礎(chǔ)科學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，有助于解釋宇宙成長、星系存在等問題。

多次刷新國際暗物質(zhì)探測的精度和靈敏度

在四川捕捉未知的暗物質(zhì)，和熊貓一樣難得的PandaX由此得名。2018年新一代實(shí)驗(yàn)的工程建設(shè)期，實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)家劉江來首先要做好一個(gè)基建“包工頭”。那段日子，他頻頻來往于學(xué)校和錦屏之間，和施工單位斡旋，“踩過很多坑”。

PandaX的“入地”方式是直接觀測，由于暗物質(zhì)粒子與普通粒子碰撞發(fā)出的信號極為微弱，要想聽到這樣的信號，必須將探測器放在一個(gè)非常安靜的地方。越往地下，宇宙射線的干擾就越少，越有機(jī)會(huì)“守株待兔”。除了直接觀測，“上天”是探測暗物質(zhì)的空間間接探測，“悟空”是我國第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，遨游太空試圖撥開暗物質(zhì)的烏云。

探測暗物質(zhì)是解開宇宙奧秘的一把鑰匙，國際科研團(tuán)隊(duì)“貼身競爭”，都希望能率先發(fā)現(xiàn)新成果。

NBD：在埋深2400米的隧道中搭建一個(gè)暗物質(zhì)觀測實(shí)驗(yàn)室，聽起來不可思議。是怎么做到的？

劉江來：我們說的埋深2400米，不是往地下鉆2400米的洞，其實(shí)是水平進(jìn)入的隧道。錦屏山隧道是雅礱江流域水電開發(fā)有限公司為了建設(shè)水電工程，建造的一條穿山隧道。由于錦屏山很高，隧道的中間位置朝上看，巖石距離山頂達(dá)到2400米。

事實(shí)上，深地實(shí)驗(yàn)一直是科學(xué)研究的絕佳實(shí)驗(yàn)室，在極深的地下做研究，能屏蔽掉地表的各種宇宙射線干擾。

2009年，清華大學(xué)與雅礱江公司采用校企合作模式共建的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期建成投運(yùn)，填補(bǔ)了我國深地實(shí)驗(yàn)室的空白。而首批入駐的清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)組和上海交通大學(xué)PandaX實(shí)驗(yàn)組填補(bǔ)了我國暗物質(zhì)研究的空白。

我們把氙冷卻到零下100攝氏度，做成探測器來捕捉暗物質(zhì)的碰撞。自2009年起，PandaX實(shí)驗(yàn)組已建設(shè)三代暗物質(zhì)探測器，從120公斤到580公斤，現(xiàn)在的是4噸級的探測器。多次刷新國際暗物質(zhì)探測的精度和靈敏度，與國際上規(guī)模更大、經(jīng)驗(yàn)更豐富的研究團(tuán)隊(duì)同臺(tái)競技，成果交互領(lǐng)先。

十多年來，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的條件也越來越好，目前已經(jīng)成為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，支撐著中國很多科研團(tuán)隊(duì)在這里開展工作，成為一個(gè)交叉學(xué)科的研究場所。比如華西醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)把癌細(xì)胞放在那，觀測其生長速度的變化。（據(jù)四川觀察報(bào)道，華西醫(yī)院深地醫(yī)學(xué)研究中心研究員吳江稱，腫瘤細(xì)胞放到地下以后，生長會(huì)變慢。給它放入一些化療的藥物，它有增敏的現(xiàn)象，更有利于殺傷這個(gè)腫瘤細(xì)胞。記者注。）

NBD：暗物質(zhì)探測的國際競爭目前處于什么態(tài)勢？

劉江來：非常激烈。2016年我們和美國科研團(tuán)隊(duì)在同一天發(fā)布研究結(jié)果，2017年同意大利團(tuán)隊(duì)的結(jié)果發(fā)在同一期的期刊上。今年我們比意大利團(tuán)隊(duì)早兩三個(gè)星期投稿，但11月，又發(fā)在同一個(gè)期刊的同一期上。

2014年，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開始規(guī)劃建設(shè)二期項(xiàng)目，建設(shè)周期很長，一直到2023年底才結(jié)束?；üこ瘫囟〞?huì)影響到實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，而美國、歐洲和中國在暗物質(zhì)研究方面，已逐漸形成激烈競爭的態(tài)勢。當(dāng)時(shí)我們的實(shí)驗(yàn)升級裝置已經(jīng)“箭在弦上”，為了跟國際上其他團(tuán)隊(duì)競爭，必須盡快投入運(yùn)行。

我們跟實(shí)驗(yàn)室管委會(huì)申請，爭取在整體大設(shè)施建設(shè)的同時(shí)，讓我們的小實(shí)驗(yàn)室同步運(yùn)行。后來，我們得到很大支持，可以說是在工地上搭建了一個(gè)簡易的、相對封閉的空間用于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，當(dāng)然也是一個(gè)潔凈的空間。那段時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室外面在進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，而實(shí)驗(yàn)室里面一直在產(chǎn)出科學(xué)成果。雖然現(xiàn)在大家還沒有找到暗物質(zhì)，但正是這個(gè)機(jī)會(huì)能夠使我們始終站到科學(xué)問題最前沿。

基礎(chǔ)科學(xué)突破將會(huì)帶來什么？

看不見摸不著、占整個(gè)宇宙27%的“神秘物質(zhì)”被稱為“暗物質(zhì)”。那科學(xué)家們又憑什么相信暗物質(zhì)的存在呢？

“我們所處的銀河系就像宇宙中的一個(gè)細(xì)胞，宇宙中有很多像銀河系一樣的星系，而每個(gè)星系中又有上千億顆恒星，他們都是靠引力的相互作用聚合在一起。”劉江來解釋稱，“科學(xué)界關(guān)于暗物質(zhì)想法的提出，是基于一個(gè)驚人的觀測結(jié)果。當(dāng)觀察這些星系中的恒星繞著中心旋轉(zhuǎn)的速度時(shí)，按照引力理論推斷，越往星系外側(cè)旋轉(zhuǎn)速度將越低，但事實(shí)卻不是這樣?！?/p>

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使到了星系的邊緣，恒星的旋轉(zhuǎn)速度還是非常高，大概比超音速飛機(jī)的速度還要快1000倍。怎樣才能維持質(zhì)量如此大的星系有如此高的旋轉(zhuǎn)速度呢？因此科學(xué)家提出，必須在星系中塞入一些我們看不見、摸不著的“暗物質(zhì)”才能解釋。反言之，如果沒有這些暗物質(zhì)提供的引力相互作用，整個(gè)星系就會(huì)分崩離析。

宇宙137億年的演化，暗物質(zhì)起決定作用，如果沒有其存在，可能整個(gè)銀河系、太陽系都不是這樣。100年前，很多人都認(rèn)為相對論、量子力學(xué)沒用。但今天，大家手機(jī)里所有的芯片、電腦、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明都源于100年前的理論。也許100年后，我們的生產(chǎn)生活從早到晚“全是暗物質(zhì)”。

從大爆炸開始，宇宙已經(jīng)存在了137億年，而人類文明史不過3000~5000年；整個(gè)宇宙中有上千億的“銀河系”，而太陽只是我們所在銀河系里的一顆恒星。無論從時(shí)間還是空間角度上看，人類都是微不足道的。正如科學(xué)家季向東所言：“近代科學(xué)發(fā)展至今不過幾百年，卻已經(jīng)把世界的規(guī)律摸索得這么清楚，很難找到什么東西不能吻合現(xiàn)行的運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)模型，暗物質(zhì)粒子的發(fā)現(xiàn)還將直接證實(shí)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的正確性。暗物質(zhì)決定了我們的過去，決定了我們的未來。暗物質(zhì)這個(gè)謎團(tuán)，是對人類智慧的又一個(gè)挑戰(zhàn)?！?/p>

NBD：你在演講中提到，每秒可能有上億的暗物質(zhì)穿過我們身體。這個(gè)數(shù)字是怎么測算的？那么多暗物質(zhì)穿過人體，對人們的生活有什么影響？

劉江來：這個(gè)數(shù)字是通過天文學(xué)測量的，我們把太陽附近的暗物質(zhì)密度估算出來。因?yàn)槲覀冎捞栜壍栏浇滴镔|(zhì)每毫升中所占的重量，大概跟質(zhì)子的重量差不多，其實(shí)是很小的一個(gè)量。根據(jù)暗物質(zhì)粒子每一個(gè)都比質(zhì)子重100倍的理論猜想，然后再根據(jù)太陽繞著銀河系轉(zhuǎn)的速度，就可以把每秒鐘有多少個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過我們?nèi)梭w這么大的面積給估算出來。

這種影響是非常間接的，沒有暗物質(zhì)就沒有銀河系，沒有銀河系就沒有太陽，沒有太陽就沒有地球。至于暗物質(zhì)對生活會(huì)不會(huì)有影響，我的答案是“NO”，就像每秒有近千億的太陽中微子穿過我們的拇指蓋，對我們也沒有影響。

觀測暗物質(zhì)是試圖揭開宇宙最深層次的面紗。它能解釋宇宙的成長、星系的存在，揭示物質(zhì)、能量以及它們之間相互作用的基本規(guī)律。而揭秘之后能帶來什么？我認(rèn)為理解宇宙本源已經(jīng)夠了。一代人只能做一代人的事，這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)的突破能帶來哪些連鎖反應(yīng)，只能讓以后的人來說。

NBD：PandaX的氙氣探測器成本大概是多少？

劉江來：所有的科學(xué)資源都要花資源。氙氣的價(jià)格起伏很大，目前是低點(diǎn)，1公斤的氙氣不到1萬元人民幣。目前4噸級的液氙探測器實(shí)驗(yàn)處于穩(wěn)定運(yùn)行期，我們希望在不久的將來開始下一代的實(shí)驗(yàn)——20噸級的液氙實(shí)驗(yàn)，這將使其成為全球體量最大、靈敏度最高的液氙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

相對于應(yīng)用研究，基礎(chǔ)研究的收益性是長線。比如19世紀(jì)，在卡諾提出熱力學(xué)第二定律的前身“卡諾定理”時(shí)，其實(shí)蒸汽機(jī)早就發(fā)現(xiàn)并且成功被應(yīng)用了。但熱力學(xué)第二定律指出的不可逆過程、時(shí)間有方向、熵等概念，成為現(xiàn)代科學(xué)的基石。如果沒有它，今天很多工程技術(shù)和發(fā)明就不會(huì)誕生，可能大家還在琢磨“永動(dòng)機(jī)”呢。

NBD：100年前的物理學(xué)界常常是一個(gè)人、一個(gè)小作坊就做出驚人的成就，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)往往需要大量的資金支持和人力投入，切口小、難度大，而且還越來越難取得成果。你怎么看？

劉江來：我覺得科學(xué)發(fā)現(xiàn)總是遵循著科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，同個(gè)人對研究范式的“審美”關(guān)系不大。我們熟知的精妙絕倫的卡文迪許實(shí)驗(yàn)、密利根油滴實(shí)驗(yàn)等都是“小作坊”實(shí)驗(yàn)，讓我們從小潛移默化產(chǎn)生了某種“審美”偏好。

但是，20世紀(jì)30年代開始，核物理和后來的粒子物理轉(zhuǎn)變了研究范式，從小作坊到更有組織、更大規(guī)模的大型裝置式研究。據(jù)說密利根（加州理工大學(xué)第一個(gè)諾獎(jiǎng)得主）本人由于不喜歡政府資助的“大科學(xué)”，使得加州理工大學(xué)在二戰(zhàn)后粒子物理實(shí)驗(yàn)的高速發(fā)展期鮮有作為，落后于伯克利大學(xué)和斯坦福大學(xué)。類似的發(fā)展規(guī)律在其他領(lǐng)域也比比皆是，就拿大家熟悉的信息技術(shù)行業(yè)來說，喬布斯他們?nèi)齻€(gè)人的團(tuán)隊(duì)在父母的車庫里做出了第一代蘋果電腦，但現(xiàn)在的AI、超級計(jì)算機(jī)皆需要巨大的計(jì)算資源、資金資源、人力資源投入。當(dāng)然，我也不認(rèn)為現(xiàn)代科學(xué)一定需要大科學(xué)裝置才能有所突破，每個(gè)人都有自己的“審美”偏好，但是“審美”要和科學(xué)發(fā)展規(guī)律吻合才能取得突破，我們對待不同的科研范式還是需要足夠的包容性。

科學(xué)的投資總有成功和失敗，而且看你怎么定義“失敗”？發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象當(dāng)然是成功，但不是唯一的成功方式。一個(gè)工作是不是走在了科學(xué)的最前沿，這本身就很重要，本身就是成功。

十年磨一劍是快樂！劍沒磨出來怎么辦？

找到一個(gè)研究領(lǐng)域，一頭扎進(jìn)去。在劉江來看來，“數(shù)十年如一日”“十年磨一劍”都不是痛苦，是科學(xué)家的快樂。而在世俗的理解中，這種“值得”，常常以成功的結(jié)局為前提。如果這把劍被競爭對手搶先磨出來，會(huì)遺憾嗎？

NBD：在探測暗物質(zhì)的過程中，最大的挑戰(zhàn)是什么？

劉江來：我們做實(shí)驗(yàn)經(jīng)常說Devils in the detail（魔鬼藏在細(xì)節(jié)里），任何一點(diǎn)細(xì)節(jié)出錯(cuò)，都會(huì)導(dǎo)致最后結(jié)果有問題。錦屏山雖然環(huán)境特別好，能夠屏蔽掉很多宇宙射線，但仍有很多“背景噪音”是地下實(shí)驗(yàn)室屏蔽不掉的。我們每一代新的實(shí)驗(yàn)都會(huì)發(fā)現(xiàn)一些以前探測不到的“本底事件”。

我們要理解這個(gè)事件到底從哪來的，到底是什么，再想辦法從實(shí)驗(yàn)中去除。所以總體來說，我們的目標(biāo)是暗物質(zhì)，但研究中總是跟非暗物質(zhì)的事件打交道。在最新一代的探測器中，我們看到了一種全新的本底，探測器中被摻雜了一些少量的氚元素，氚是不穩(wěn)定的，半衰期大概12年，探測器運(yùn)行了95天，發(fā)現(xiàn)每公斤氙中有20個(gè)氚原子。你聽上去沒有概念，但是對比一下，每公斤飲用水中有5萬億的氚原子，我們可以把它喝下去，所以我們實(shí)驗(yàn)中的氚本底是非常小的，可以說我們建設(shè)了一個(gè)全世界最好的氚探測器之一，才能看到這樣的本底。我們花了一年半的時(shí)間才把氚的本底降低到了原來的十分之一，但依然能看見它的蹤跡。

我希望再過幾年，我們能給探測器中的每個(gè)氚原子都起一個(gè)名字，貼一個(gè)標(biāo)簽，探測器要靈敏到這種程度，才能更有效地探測暗物質(zhì)。

當(dāng)然，有時(shí)候我會(huì)樂觀地想，也許明天暗物質(zhì)事件就在我們探測器里面出現(xiàn)。但是“出現(xiàn)”后面，緊接著我們就會(huì)不停地問自己它是正確的還是錯(cuò)誤的，因?yàn)橛泻芏嗥渌母蓴_因素，證明過程也會(huì)很漫長。

NBD：如果沒有找到暗物質(zhì)呢，或者別的團(tuán)隊(duì)先找到了，會(huì)感到遺憾嗎？

劉江來：我只能用同類實(shí)驗(yàn)做類比。目前國際上有三個(gè)實(shí)驗(yàn)組利用液氙探測器搜尋暗物質(zhì)，分別是美國、意大利和我們PandaX。雖然現(xiàn)在大家均未捕獲暗物質(zhì)，但始終站在科學(xué)最前沿非常重要。

我承認(rèn)，假如最終我們的競爭對手先找到了暗物質(zhì)，我肯定會(huì)感到失望，會(huì)檢討自己哪里做得不好。但結(jié)果是一回事，過程則是另外一回事了，沉浸在探索中，過程本身就是一種快樂。

選擇基礎(chǔ)物理首先要有濃厚興趣

在劉江來看來，選擇基礎(chǔ)物理，首先要有濃厚的興趣，才能長期堅(jiān)持。其次，要有樂觀精神，科研中受挫是常態(tài)，心理要足夠強(qiáng)大；第三，要有工匠精神，淡泊名利。最后，還要有創(chuàng)造力。他招博士生，最看中的品質(zhì)是“90%腳踏實(shí)地，10%抬頭看天”。而作為導(dǎo)師，他有責(zé)任激發(fā)學(xué)生的好奇心，把10%的靈氣給補(bǔ)回來。

NBD：現(xiàn)在的教育非?！熬怼保慵仁抢蠋熡质羌议L，怎么培養(yǎng)自己的孩子？

劉江來：我就沒法讓我的孩子對物理興趣濃厚，這不是看點(diǎn)書或者上個(gè)興趣班就能培養(yǎng)出來的。都說現(xiàn)在的教育很卷，但不知道有沒有人做過統(tǒng)計(jì)，自從我們卷以來，所謂的“成功率”增加了嗎？

我們上學(xué)的時(shí)候也卷，我也算是用功吧，但一天踢一場球的時(shí)間還是有的，現(xiàn)在的孩子連這個(gè)時(shí)間也沒了。我認(rèn)為就是按照自己孩子的興趣發(fā)展，珍視并激發(fā)他們的好奇心，別干什么都有這么強(qiáng)的功利性。

NBD：找到自己的興趣并成為人生職業(yè)，這是非常幸運(yùn)的一件事。但即使熱愛并堅(jiān)持某項(xiàng)事業(yè)，也并不意味著一定會(huì)成功。你怎么看？

劉江來：我認(rèn)為堅(jiān)持來自專注，而專注來自興趣。當(dāng)然有的時(shí)候興趣得翻過一座山，這是考驗(yàn)意志力的。我女兒跳芭蕾舞給我的感受挺深的，最開始她也覺得基礎(chǔ)訓(xùn)練是枯燥辛苦的，但積累到一定程度后，她現(xiàn)在每天不跳反而難受，到這個(gè)份上我想就是純粹的、沒有任何功利性的熱愛了。這可能就是所謂的10000小時(shí)原則吧。

我相信科學(xué)家都是熱愛自己工作的。之前有人去錦屏實(shí)驗(yàn)室參觀，說你們科學(xué)家坐“冷板凳”是不是很寂寞？我有個(gè)同事說得非常好，說我們研究的問題是全世界科學(xué)家都想知道的問題，是全世界“最熱的板凳”，為什么會(huì)覺得我們痛苦呢？可能同一個(gè)領(lǐng)域持之以恒的人有1000個(gè)，最后“成功”的或許只有1個(gè)，999個(gè)都是“炮灰”。通常的敘事中是不會(huì)講“炮灰”的，但是他們也是開心的“炮灰”，因?yàn)樗麄兪窃谧鰺釔鄣氖?，這也就是成功??！