全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的一部分，無論是在都市導(dǎo)航，還是在山區(qū)尋路，都需要用到GPS裝置。對(duì)物理學(xué)家來說，全球定位系統(tǒng)也可能成為直接探測(cè)暗物質(zhì)的工具。截止到目前，暗物質(zhì)還是非常難以捉摸的一種物質(zhì)形式，與星系的形成關(guān)系密切。
近日，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校的安德雷·德雷維安科(Andrei Derevianko)及其同事，來自加拿大維多利亞大學(xué)和理論物理學(xué)周邊研究所的馬西姆·波斯彼洛夫(Maxim Pospelov)提出了一個(gè)探測(cè)暗物質(zhì)的方法。利用GPS衛(wèi)星和其他原子鐘網(wǎng)絡(luò)，比較原子鐘顯示的時(shí)間差異，尋找受暗物質(zhì)影響的線索。
“盡管已經(jīng)有了扎實(shí)的觀測(cè)證據(jù)，但暗物質(zhì)依然是一個(gè)謎，”德雷維安科說，“一些粒子物理學(xué)的研究項(xiàng)目假設(shè)，暗物質(zhì)可能由較重的粒子組成。這一假說還沒得到驗(yàn)證，目前也存在一些替代的假說。很戲劇性的一點(diǎn)是，現(xiàn)代物理學(xué)和宇宙學(xué)只能夠解釋宇宙中5%的物質(zhì)和能量，剩余的部分則依然是未解之謎?！?/p>
有證據(jù)顯示，在這些剩余的神秘物質(zhì)和能量中，有68%由暗能量組成，另外27%的部分則是暗物質(zhì)。不過，我們看不到暗物質(zhì)，現(xiàn)在也沒有直接觀察和測(cè)量到暗物質(zhì)。
“我們的研究理念是，暗物質(zhì)可能就像一大團(tuán)氣體狀的拓?fù)淙毕?topological defects)，或能量裂縫(energy cracks)，”德雷維安科說，“我們打算利用靈敏度極高的原子鐘網(wǎng)絡(luò)，在拓?fù)淙毕?，即暗物質(zhì)穿過我們周圍的時(shí)候探測(cè)到它們。原理是這樣的，這些原子鐘如果出現(xiàn)不同步，就說明暗物質(zhì)即拓?fù)淙毕萁?jīng)過了。事實(shí)上，我們想利用GPS衛(wèi)星作為最大的人造暗物質(zhì)探測(cè)器?！?/p>
在今年舉行的一次重要的學(xué)術(shù)會(huì)議上，德雷維安科等人的理論獲得了科學(xué)界的良好反響。他們關(guān)于這一課題的論文也發(fā)表在了近期《自然-物理學(xué)》(Nature Physics)雜志的在線版上。
目前，德雷維安科正與內(nèi)華達(dá)州大地測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的主管杰奧夫·布盧伊特(Geoff Blewitt)一起對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。大地測(cè)量實(shí)驗(yàn)室屬于內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校的理學(xué)院，開發(fā)并維護(hù)著世界上最大的GPS數(shù)據(jù)處理中心，能全天候不間斷地處理來自全世界12000個(gè)站點(diǎn)的信息。
GPS衛(wèi)星利用原子鐘來為我們提供日常生活所需的導(dǎo)航服務(wù)。德雷維安科和布盧伊特分析了來自30顆GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)的理論進(jìn)行檢驗(yàn)。我們已經(jīng)有了GPS這樣的原子鐘網(wǎng)絡(luò)，加上一些地面的原子鐘網(wǎng)絡(luò)，在出現(xiàn)拓?fù)淙毕莸臅r(shí)候，這些原本同步的電子鐘會(huì)變得不同步。不同空間位置的原子鐘所出現(xiàn)的時(shí)間差異，可以視為一種獨(dú)特的“簽名”。
布盧伊特也是一位物理學(xué)家，他對(duì)原子鐘陣列探測(cè)暗物質(zhì)的可能性進(jìn)行了解釋?！拔覀冎腊滴镔|(zhì)一定在那里。舉個(gè)例子，星系周圍的光線由于暗物質(zhì)而出現(xiàn)了彎曲，但我們還沒有證據(jù)說明暗物質(zhì)的組成，”他說，“如果那里沒有暗物質(zhì)存在，那我們所知的正常物質(zhì)是無法使光線像那樣彎曲的。這是科學(xué)家知道銀河系中存在大量暗物質(zhì)的方法之一。有一個(gè)可能性是，暗物質(zhì)可能并不是由普通物質(zhì)的粒子組成，而是由宇宙中的宏觀缺陷(macroscopic imperfections)?！?/p>
“地球在運(yùn)行中穿過這一暗物質(zhì)‘氣體團(tuán)’的時(shí)候，就像有一陣‘暗物質(zhì)風(fēng)’吹過地球及其衛(wèi)星。當(dāng)暗物質(zhì)經(jīng)過的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致GPS系統(tǒng)的原子鐘出現(xiàn)不同步的情況，持續(xù)時(shí)間約3分鐘。如果暗物質(zhì)能夠引起原子鐘超過十億分之一秒的不同步，那我們就應(yīng)該能探測(cè)出暗物質(zhì)的存在。”
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