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如果把沙漠挖空,最底下會有什麼東西?答案在這

很多人對沙漠的印像都是惡劣的黃沙滿天的環境,當然也有不少人非常喜歡和嚮往這種荒漠美景。眾所周知,沙漠的面積是很大的,差不多佔了全球陸地總面積的21%。對於如此遼闊的沙漠,有人提出了一個趣味性十足的設想:如果把沙漠全部挖空,最底下會有什麼東西?挖空之後會對地球造成影響嗎?

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教科書上指出,沙漠中的沙子是經過岩石風化產生的,而岩石則來自於地殼下面的岩石圈。自然的力量無比巨大,地球的構造在經過千億年的演變之後發生了翻天覆地的變化,以前的石頭經過太陽的照射和雨水的沖刷之後慢慢分解為沙子,而這些沙子在經過風力作用之後則會慢慢堆積在一些大平原上,最後形成沙漠。

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知道沙漠的形成原理之後,沙漠底下有什麼東西就不難想像了。如果把沙漠的沙子全部挖出來,最底下就會出現一些由花崗岩或者玄武岩構成的岩石圈。對於一些歷史悠久的沙漠,曾經也有可能是一片綠洲或者大海,把沙漠挖空之後,最底下很有可能會有一些被沙子掩埋的歷史古物,像古城遺跡、動植物遺蹟之類的。

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把沙漠挖空之後,對地球基本上不會有影響,反而還有可能減少沙塵暴這種自然災害的發生。而且,如果沙漠真的被挖空了,人類還有可能會發現一些可以利用的自然資源,比如礦產資源、石油等等。

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雖然說把沙漠挖空也許能給人類帶來一定的好處,但是也有人反映這種設想是不切實際的。因為沙漠被挖空之後,如此多的沙子不好處理,不知道放在哪裡,也不知道用來幹什麼,這些都是難題。你認為沙漠底下到底隱藏著什麼東西呢?

 

為什麼要搜尋暗物質?因為科學家想撓“癢”,一個宏大的癢

這是科學界缺失的最大一塊拼圖:我們能觀測到的物質,僅佔所有物質的百分之五。本文所講述的,是史詩般的暗物質搜尋之旅。

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位於加拿大安大略省的SNOLAB實驗室

加拿大有一座獨特的礦井,名為克雷頓礦。它位於安大略省薩德伯里郊外的森林。在那裡,好奇的熊類常常出沒,到人們後院覓食覆盆子。礦工們頭戴藍色安全帽,前往地下開採鎳礦。他們在漆黑之中,踏入半開半合的升降機,顫顫巍巍地下探到空曠的洞穴內;和他們同行的,還有另一群頭戴橙色安全帽的人。這些人的目的截然不同,他們要開采的,是一片虛空。

至少到目前為止,還是一片虛空。

他們是一群物理學家,供職於巨型地下實驗室SNOLAB。其深度達2公里,能摞下四個半帝國大廈。SNOLAB的探測器巡視整個宇宙,搜尋一種稍縱即逝的東西:暗物質。人們相信,宇宙中絕大部分物質都由它構成。

這是一場宏大的搜索,但截至目前,我們依然一無所獲。

眼下,在宇宙所有物質中,我們能探測到的僅占區區5%,它們構成了所有的星系、恆星、行星、黑洞、類星體、脈衝星、中微子——以及人類和其他所有地球生命。除去它們,其餘都是未知的東西:暗物質(25%),乃至更加神秘的暗能量(70%)。我們能觀察到暗物質對恆星和星系的引力作用,但經過百般嘗試,就是無法用任何儀器,捕捉到它的“暗”粒子。

撓一個宏大的“癢”

為什麼要費力捕捉?誠然,我們無法使用暗物質,製造出新一代的宇宙智能手機,也不能用它點石成金。但通過觀察暗物質,我們或許能夠理解:星系何以聚而不散——以我們觀測得到的原子物質來看,它們早該分崩離析了。畢竟,我們所處的銀河系,據信就窩在一大片暗物質之中,那就是所謂的暗物質暈。

尋找暗物質還有助於解釋深空觀測中的光學錯覺——即在望遠鏡觀測結果中,一些星繫帶有奇怪的光弧或光環。研究人員說,這些星系的前景中,有一大團暗物質,其作用相當於巨大的引力透鏡,扭曲了來自星系的光,並放大了星系的成像。這種現像被稱為引力透鏡效應。

簡而言之,科學家搜尋暗物質,是為了撓痒——一個宏大的癢。

“夜深人靜時,你久久不能入睡,思索著’這一切究竟意味著啥?’就是這樣一種癢。”德國弗賴堡大學的實驗物理學家丹尼爾·科德雷(Daniel Coderre)說。

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研究人員乘坐升降機,下到2千米深處,再在礦井中徒步穿行1.4公里,才能抵達SNOLAB實驗室。

“沒有結果”不等於一無所獲

喬·沃爾丁(Joe Walding)是倫敦大學皇家霍洛威學院的一名物理學家,常去SNOLAB工作。他踏入上下兩層的升降機,下探過程需要約六分鐘,而且不適合膽小人士:升降機內沒有照明,伸手不見五指;頂部是半開放式的,下探過程伴隨劇烈的搖晃和撞擊,暈厥現象時有發生。“胳膊自然是不能伸出去的,不然會折斷。”沃爾丁半開玩笑地說。

他心情不錯——這陣子,這裡很多物理學家都是如此:今年5月,SNOLAB的科學家接到一則好消息。美國能源部已經批准向該實驗室(於2011年啟動)撥款,用於建造全新的暗物質實驗探測器,定於2020年啟動運行。

這個超敏感的SuperCDMS將耗資3400萬美元,其性能超過該領域任何探測器。它的任務,是發現其他任何探測器都未發現的東西——是不是有些艱鉅?

自70年代以來,大把大把的金錢砸入暗物質實驗,不論是在太空,還是地下。經過數不盡的挑燈夜算,以及鋪天蓋地的媒體報導,研究人員始終兩手空空。除SNOLAB之外,我們還有LUX實驗,它地處美國南達科他州,在一座廢棄的地下金礦內,距地面1.6公里,但至今一無所獲。法國還有EDELWEISS實驗,在阿爾卑斯山下,位於1.7公里的岩石下方,同樣毫無進展。中國有PandaX實驗,位於貴州錦屏地下實驗室,但也沒有找到任何粒子。去年,印度的賈杜戈拉地下科學實驗室啟動,距地面550米,在一座運營中的鈾礦內。目前也是毫無收穫(畢竟只找了一年)。如此種種,不一而足。

盛行的理論是,構成暗物質的粒子只通過引力——即施加引力——與普通原子物質或光,產生相互作用。SuperCDMS所要尋找的,是這種奇特粒子中的一類:大質量弱相互作用粒子(WIMP)。這是最主要的暗物質候選粒子(也有說是可能性最大的粒子),是多個探測器搜尋的對象。為了創造這些粒子,科學家甚至動用了世界上規模最大、性能最強的粒子加速器:位於日內瓦附近的大型強子對撞機(建造成本近70億美元)。但也是徒勞無獲。

尋找一種未知的事物,雖然一無所獲,但還是能要到經費,繼續竹籃打水——這樣的情況還能維繫多久?其實,對畢生追尋暗物質的研究人員來說,“沒有結果”的重要性絲毫不亞於有所發現。

“唯一的區別在於:找到了暗物質,你能得諾貝爾獎;但與之同等重要的,是限定暗物質存在的區間。”意大利國家核物理研究所的物理學家沃爾特·富爾吉奧內( Walter Fulgione)說。因為,將這個界限不斷收緊,就能排除看似可行的假說,縮窄搜索範圍。畢竟,1916年,愛因斯坦就預言了引力波,但探測它用了一個世紀;希格斯玻色子也是歷經近半個世紀,才被大型強子對撞機捕獲。研究人員清楚自己在尋找什麼,經過年復一年的一無所獲,他們得以收緊搜索範圍。

“這場遊戲的玩法,就是通過日積月累,穩步推進,慢慢縮減可能的模型範圍。”美國費米國家加速器實驗室(FNAL)的天體物理學家丹·胡珀(Dan Hooper)說。

阿維·勒布(Avi Loeb)是哈佛大學的一名天文學家,他將科學描述為“一座知識的孤島,四面被無知的海洋所圍繞。”在一片沙漠中,要找到一頭獅子,你可以不斷擴大沒有獅子的區域,使剩下區域不斷縮小,最終鎖定獅子的足跡,他說。但這樣做的前提,是你知道沙漠裡有獅子。好在,多數研究人員都認為,和沙漠之獅一樣,暗物質是存在的,它就在某個地方。

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子彈星團由兩個相互撞擊的星系團構成,呈現出暗物質存在的證據。

升降機砸到克雷頓礦的井底,經過一頓竄,總算停穩當了。要抵達SNOLAB,研究人員還得穿越近兩公里黑暗、狹窄的隧道,從鎳礦礦工和採礦設備旁,小心地繞行。

但他們要留意的,還不只是採礦作業。在地面上,礦井周圍常有熊出沒。一次,一名研究人員出外吸煙,突然跟三頭未成年黑熊打了個照面。一頭熊還把頭湊到了他的膝蓋旁。“他一回來,就猛喝酒壓驚。”回憶起當時的場景,沃爾丁忍不住笑了。

這座鎳礦啟動於上世紀20年代,但物理實驗室1992年才成立。之所以選在地下深處,不是因為地面上空間不夠,而是為了屏蔽宇宙射線的高能粒子,以免高靈敏度的探測器受到干擾。這些粒子通常是質子,來自宇宙中的遙遠角落,到地球大氣層中,化成其他無數粒子,散落下來,每時每刻,我們都接受著它們的洗禮。“我們尤其擔心的是介子,它們會跟探測器周邊的物質發生反應,形成中子,跟暗物質信號混淆。” 科德雷說。不過,厚厚的岩層可以攔截它們,消去這一背景噪音。

雖然SNOLAB(以及別處)的暗物質搜尋至今無果,但在克雷頓礦的幫助下,有一位科學家——阿瑟·麥克唐納(Arthur McDonald)——憑藉中微子研究,榮獲了2015年諾貝爾物理學獎。

中微子是一種幽靈般的粒子,幾乎沒有質量。在超新星爆發等激變發生時,恆星的內核會產生中微子,但地球上也會產生中微子。就像暗物質一樣,曾經的它也只是存在於理論中,最早提出於1930年;歷經26年,第一顆中微子才被探測到。

為容納SuperCDMS,實驗室將進行升級,增加供電、照明和製冷能力。新的實驗裝置將包含一個固態鍺矽探測器,被冷卻到極端低溫,跟絕對零度只差絲毫。探測器將由膠囊式的外殼包裹,投入一個水箱,這些水也是一種屏障,可以削減礦井射線的背景噪音。裝置的很多組件將在地面實驗室組裝並測試,包括費米實驗室、SLAC國家加速器實驗室和西北太平洋國家實驗室(PNNL)等地,但最後組裝將在地下進行,由SNOLAB完成。

要是SuperCDMS還是毫無斬獲呢?同一座礦井中,還有其他一些實驗,比如DEAP-3600實驗,它的技術略有不同,即使用惰性氣體氬氣,探測WIMP粒子。沃爾丁就從事於這項實驗。在新實驗開展的同時,這些探測器將繼續搜索WIMP。

但對科德雷而言,圍繞暗物質理論,“沒有結果”反而提供了一種重要的反饋,迫使理論作出調整。“一無所獲固然令人失望,但搜尋一種全新的東西就是這樣,這是你必須接受的一種結果。”他說,“暗物質問題存在一個正確答案,現在,這個答案隱藏起來了,而我們正在盡全力找到它。”

這意味著多條“戰線”同時出擊。在廢棄和正在運營的礦井中,在大山深處,在太空之中——很多實驗都在搜尋WIMP。真正的關鍵,在於跨越幾十年的穩步積累,慢慢縮小暗物質可能模型的範疇。

“SuperCDMS很可能在它的這條戰線上取得紮實的進展。”胡珀說。他還表示,新探測器將聚焦一個新的WIMP質量區間,比其他探測器假設的質量要輕很多。儘管其他實驗失敗了,但SNOLAB未來實驗的勝算並不會因此降低,因為它可以縮小暗物質候選粒子的區間。

當今最靈敏的暗物質探測器

鑑於SuperCDMS還處於規劃階段,我們不妨將視線轉向意大利。

在距羅馬一小時車程的亞平寧山脈之下,科學家歷經幾十載,一直在獵尋暗物質。他們的暗物質探測器位於拉奎拉市附近。為抵達實驗室,你要進入一條10公里的隧道,開上七分鐘,直抵最高峰大薩索山的底部。在一個特殊出口拐出,按一個按鈕,再用意大利語向門衛自報家門,接著,兩扇巨大的金屬門緩緩開啟,空曠的洞穴展現在你眼前,那就是大薩索山國家實驗室——這裡坐落著當今世界最靈敏的暗物質探測器——XENON1T。

實驗室成立於1984年,頭二十年裡,主要研究對像是中微子和宇宙射線。2002年,第一台探測器XENON10啟動。此後,它一路升級到XENON100,如今已是XENON1T,試圖捕捉WIMP與普通物質的相互作用。

實驗室的地下空間碩大無朋,分成三個“大廳”,每個長約100米,寬20米,高18米。XENON1T就處在其中一個。每個大廳都有自己的實驗,所有實驗加起來有18項。它們涉及各種課題,從探測太陽中微子,到探究太陽內部,到試圖捕捉馬約拉納費米子(一種假想粒子)的世界最大探測器。約有950名研究人員供職於該實驗室,他們來自32個國家。

在暗物質大廳,最大的架構是一個直徑10米、高11米的巨型水箱,很像裝糧食的筒倉。它的旁邊,是一個三層玻璃建築,裡面塞滿低溫管、泵、製冷器、子系統和電子設備,它們的目的只有一個:維護探測器。探測器本身位於水箱內部,封在一米厚的不銹鋼低溫恆溫器內。探測器和周圍一切都由低放射材料製成,旨在削減背景“噪音”——就像在SNOLAB一樣,放射性材料會發射出電子、伽馬射線或中子,被探測器捕獲;罕見的暗物質粒子要是真的出現了,也會被淹沒其中。為進一步抑制不必要的背景干擾(比如宇宙射線),低溫恆溫器被浸入水箱,由700噸水所環繞,另外,頂上1400米的岩石也發揮了不小的屏蔽作用。

在低溫恆溫器內部,兩噸超低溫液氙將儀器包裹了起來。氙氣不僅無色無味,而且是地球上最稀有的元素之一,主要產地是俄羅斯、南非和沙特,是煉鋼的副產物。

總有一些電子、伽馬射線,以及偶爾來自大氣的介子,可以突破重重阻礙,闖入探測器內部。而氙原子被這些粒子激發時,會發射出細微的閃光,這是很多稀有氣體的共同屬性。而液氙有著強大的製動能力——它對路過的粒子十分敏感。

這些閃光會被光學設備捕捉,並進行分析。到目前為止,所有信號都被否定了。“我們要找的,是一種前所未見的信號。只有對背景噪音瞭如指掌,且背景噪音足夠低,這才行得通。”科德雷說,他曾任XENON1T的分析協調員。

XENON1T於2016年啟動運營,今年5月發表了最新一批數據,依然沒有結果。但科學家表示,他們給暗物質效應值限定的區間,達到有史以來最窄:1平方厘米的萬億分之一的萬億分之一,即4.1×10-47平方厘米。效應值又稱截面,代表WIMP與普通物質——氙原子——相互作用的強度。為確定效應值,科學家梳理了279天的數據,按照估算,這期間最多可錄得十場暗物質事件。結果,什麼都沒有——也就是說,WIMP肯定比之前假定的還要小。

不論在地下實驗室,還是山脈附近的研究設施內,任何時候都有兩人值班。他們用平板電腦遙控操作探測器,持續關注數據讀數,以免錯過暗物質粒子。參與該實驗的約有160名科學家,他們來自美國、歐盟和亞洲的26所科研機構。

為確保探測器一塵不染,並儘量避免探測器材料表面或內部進灰,從而混入放射性雜質,在組裝時,研究人員要“全副武裝”,外套、面罩、靴子等一應俱全。哪怕是一個指紋,都可能毀掉多年的努力。

很快,這一切又要從頭來過——今年12月至明年1月,XENON1T將被關停,取而代之的,將是更大的XENONnT。這次更新換代將耗資數千萬歐元,由協作各方分攤。外層水箱還是那一個,但這一次,液氙將從2噸變成6噸。新儀器的數據處理工作,預計將於2019年底啟動。

如果依然毫無所獲,大薩索山的科學家很可能換成更大的探測器,再作最後一次嘗試,再不行就要換技術了。“隨著大型強子對撞機和XENON大型暗物質實驗進入下一階段,對傳統大質量WIMP的搜尋自然會有結論。”費米實驗室的丹尼爾·鮑爾(Daniel Baur)說,“未來幾年,暗物質被發現的概率還是有的,但要是沒發現,通行的WIMP理論可能就不是正解了。”

暗物質搜索“都找錯了對象”?

儘管WIMP探測器仍在孜孜以求,但越來越多的科學家圍繞暗物質本質,發展起了別的理論,並試圖利用實驗,進行捕捉。科學家從各個方向入手,試圖拼出暗物質的拼圖。其中的“拼塊”有軸子——質量遠遠更輕的假想暗物質粒子;以及惰性中微子——一種中性粒子。

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日本衛星“瞳”在運行數週後,突然自行解體。

軸子並不是一個新概念,它最早提出於1977年,按照假設,它比WIMP輕得多。幾十年來,它反复徘徊於得寵與失寵之間。但如今,鑑於所有WIMP捕捉器都無功而返,很多科學家開始退而求其次,將軸子作為求證對象。

按照理論,軸子與光子會發生相互作用——作用力非常微弱,但依然存在。華盛頓大學的軸子暗物質試驗(ADMX)就是以此為切入點,試圖捕捉軸子。不同於SNOLAB和XENON1T,ADMX就在一個普通實驗室內。探測器裝在一個約四米高的水箱裡,由一塊很大的超導磁鐵和一個微波諧振腔組成,原理類似於無線電接收器,華盛頓大學物理學家格雷·萊布卡(Gray Rybca)說。就好比研究人員有一台收音機,要在不知道頻率的情況下,搜索一個電台,於是,他們一點一點地扭動旋鈕,試圖在頻率恰好調對時,收聽到一個信號。

磁鐵會產生強大的電磁場,軸子若是穿過其間,會發出相應的電磁輻射,其能量轉化為一種微弱的微波信號,被接收器記錄下來。研究人員可以用量子電子學,將其探測出來。比起宇宙射線或放射性活動,該實驗尋找的信號,能量要低得多,因此ADMX不需要岩石或水的掩護。但手機、無線網絡和電視信號還是要屏蔽的。“它就是一部無線電接收器。唯一的區別在於,實驗的第一個步驟,是將軸子轉化為無線電波。”萊布卡說。

ADMX建於1995年,已經有些年頭了。2010年,它從勞倫斯利弗莫爾國家實驗室遷至華盛頓大學。科學家表示,經過不斷的升級,以它現在的靈敏度,終於能探測到軸子導致的弱相互作用了。

ADMX的溫度是攝氏零下273度,只比絕對零度高0.15度。“製冷和液氦循環方面要投入大量的工作。”萊布卡說。因為有液氦,探測器才能維持如此低溫,而且這一點非常重要,因為超導磁鐵和量子電子設備要運轉,溫度必須足夠低才行。另外,探測器越冷,背景噪音就越少,探測到的信號就越清晰。

多數情況下,實驗室裡都安安靜靜,空無一人,因為數據獲取基本是自動化的。不過,研究人員還是要通過互聯網,夜以繼日地控制與監測實驗進展。每年,實驗都要停運一次,科學家將系統升溫至室溫,將磁鐵內部的探測器取出。“這是實驗室裡最熱鬧的時候:所有人都戴著頭盔和低溫安全手套,小心翼翼地把系統挪到無塵室,在那裡,我們會用幾個月時間,給系統安裝更新。”萊布卡說。

他堅信,到目前為止,暗物質搜索“都找錯了對象”。他說,以ADMX的靈敏度,它足以探測到恰當的信號,剩下要做的,就是在可能的質量中,一個個找過去。“我們終於將音量調得夠高了,現在,我們只需轉動調頻旋鈕,直到聽到信號。”他說,“我們的勝算不錯,比以往任何時候都要高。”

眼下,ADMX正在研究4G-LTE手機頻段對應的頻率,但研究人員也在研發新技術,以探索頻率更高的Wi-Fi頻段,以及頻率較低的調幅廣播等頻段。今年4月,ADMX發布最新結果——依然是沒有結果,但對萊布卡而言,這很重要,因為這表明,該探測器具備尋找軸子所需的靈敏度。“如果我們把所有可能的質量掃描了個遍,還是沒有結果,其重要性就會從另一個層面體現出來:我們預期軸子是存在的,因為某些核物理現象的解釋離不開軸子。若找不到軸子暗物質,我們就面臨一個問題:要么我們還不夠理解核物理,要么我們對早期宇宙的了解還不夠深入。因此,沒有結果的結果會衍生出大量問題。”

在捕捉暗物質的行動中,很多科學家都忙著另闢蹊徑。很多人甚至另闢引力理論,去解釋不需要暗物質、暗能量的宇宙運行方式。不過近期,針對引力波(由兩顆中子星碰撞所產生)的直接觀測結果出爐,上述理論被幹掉一大片。因此,“暗物質存在”這一猜測依然站得住腳。

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意大利大薩索山下1400米處,XENON1T探測器被裝在一個巨型水箱內。

假想粒子備用理論

若找不到軸子或WIMP,我們還有一個備用理論:惰性中微子。這是一種假想粒子,只通過引力相互作用,而不是像“普通”中微子那樣,與普通物質產生微弱的相互作用。

其理論是,特定質量的惰性中微子可能會衰變,產生一種X射線光譜特徵,而這種特徵能夠被X射線光譜儀探測到。於是,日本宇宙航空研究開發機構JAXA聯手美國宇航局(NASA),於2016年2月17日發射衛星“瞳”,希望它能充當那個光譜儀。只可惜,它沒有堅持多久,在對英仙座星系團作了一番初步觀察後,“瞳”突然解體成五塊,當時,它只運行了三週。

這顆衛星造價2.73億美元,可謂損失慘重。但科學家並沒有灰心,美國和日本已經造出了替代品——一顆名為XRISM的衛星。未來,它將搭載高解析度X射線光譜儀Resolve和成像儀Xtend,發射升空。該項目已於7月1日獲得日本批准。據估計,新光譜儀的建造成本介於7000萬至9000萬美元之間。

團隊將新的光譜儀命名為Resolve(兼有“解析”和“決心”之意),是為了“賦予它更多的含義:既代表功能——將構成X射線的顏色解析出來,也代表決心— —團隊盡快恢復’瞳’擱置進度的決心。”理查德·凱利(Richard Kelly)說,他是光譜儀的美方首席研究員。新的光譜儀將根據探測器接收到的熱量,對光子進行探測。其運行溫度將只比絕對零度高0.06度。它將觀測星系團和單個星系,對照科學家對惰性中微子衰變的預測,尋找那個標誌性的光譜特徵,看看有沒有與之相符的能量與強度。

它是基於一種假設,即X射線被探測器的微型像元吸收後,將能量轉化為熱量,而這些熱量會被顯微測溫儀精確記錄下來。Resolve將對X射線進行逐一探測,然後圍繞這些能量,形成一個柱狀圖,即光譜。“按照預期,惰性中微子應該有一個特定的能量值。如果這個能量值處在X射線頻段內,我們就能用Resolve,探測單個中微子,進而圍繞它們的能量,生成柱狀圖,也就是光譜。”凱利說。如果這些中微子的能量界限分明,我們就有可能在光譜中,看到一條狹窄的特徵線。

XRISM應該在2020年4月到2021年3月期間發射。最後要是一無所獲,那麼還是一樣:沒有結果不代表沒有意義。“在候選的暗物質粒子中,惰性中微子的可能性就可以排除了,這樣一來,候選範圍將大幅縮小。”馬里蘭大學天文學家理查德·穆肖斯基(Richard Mushotzky)說。

對參與其中的研究人員而言,搜尋暗物質有兩種結果。借用著名物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi)的話:“若假設被證實,你完成的是測量;若假設被證偽,你完成的就是發現。”在看似沒有止境的暗物質搜尋過程中,“沒有發現”的發現承載著重大的意義。

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