锦屏地下实验室-锦屏山底卧着世界最深实验室（附照片）

发布时间：2018-01-26 所属栏目：科学

一 : 锦屏山底卧着世界最深实验室（附照片）

锦屏山锦屏山底卧着世界最深实验室（附照片）

暗物质实验室就深藏在连绵的锦屏山下。每天一早，研究团队成员从隧道入口旁的水电工程队营地出发，进入隧道深处的实验室工作。本报记者陈龙摄

本报首席记者张懿

■科学家认为，人类的身边游离着数量众多的暗物质，总量大约是常规世界物质的6倍。它们不发光，而且极少与常规物质发生作用。

■暗物质探测，就是将高灵敏度的探测器安置在一大片由原子核组成的“树林”里，然后静等暗物质粒子这只“兔子”自己撞上来。

许多物理学家相信，每时每刻，都有海量的粒子，以百倍于子弹的速度，穿透地球上的万物，包括我们的身体。

它们数量众多，总量大约是组成我们常规世界的物质的6倍，没有它们，宇宙星河就不会是现在这个样子；但它们又是如此孤独，游离在空间中，无法被看到、从未被感知。事实上，除了贡献引力，它们几乎不与常规物质发生作用。因此，即便不断地被它们穿透，我们的身体也依然无恙。

这就是理论物理预言的暗物质粒子。

过去十多年来，许多科学家正穷尽各种实验方法，试着与构成宇宙质量80%以上的暗物质“接触”。如果如愿，这将极大地丰富人类对宇宙的理解。

中国的研究者如今正走在最前沿。在中国西部偏远山区的一间深入地下2.5公里的实验室里，他们正在努力工作，希望能率先捕捉到暗物质粒子。

不久前，本报记者随上海交大的研究者，走进了中国锦屏山暗物质实验室。

大河湾里多了一“点”

锦屏山位于青藏高原东麓，是横断山脉的一支。横断山脉由一条条南北延展的岩层褶皱组成，雪山融雪顺势在其中蜿蜒成一条条江河，金沙江最大的支流——雅砻江便在其中。

发源于巴颜喀拉山的雅砻江全长1500多公里，最初的1000多公里几乎是一路向南，直到在锦屏山前遇阻。江水先是急转向北，百公里后再次绕向南方。地图上，雅砻江绕着锦屏山，写下了一个巨大的“几”字。

据当地人说，从前，山里的老乡如果要去赶集，得翻山越岭走上好几天。马帮则选择沿着峡谷，顺着河流，绕行锦屏山，全程180多公里。

但从2008年开始，这段路骤然被“缩短”了90%。为开发水电，雅砻江公司从东西方向凿通了锦屏山。

原长江水利委员会副总工程师杨浦生告诉记者，借助河湾的天然地形，截弯取直后，江水“抄近路”走山下的隧洞，这样就可以利用河湾两端300多米的水头落差发电。

2007年，锦屏二级水电站正式开工。工程要凿通4条洞径13米的引水隧洞，每个隧洞的江水能推动两台60万千瓦的发电机。此外，工程还要辟通两条交通配套隧道，以及一条排水隧道。这七条隧道全都穿透锦屏山，长度都在18公里左右，一起构成了世界上最大的水工涵洞群。

这个总投资逾400亿元、总装机容量480万千瓦的锦屏二级水电工程，就仿佛将“几”字型的雅砻江大河湾变成了“凡”字。而锦屏实验室的位置，就在“凡”字这一“点”的正中间。它的入口，就位于交通配套隧道深处的岩壁上。

过去，从外界到锦屏山根本没路。水电工程的第一批施工工具，当初真的是靠马驮进山的。即便是现在，从水电工程队的营地出发，到最近的村镇，也要开车近2个小时；沿途超过三分之二的路程，都是在隧洞里穿山而行。

到2500米地下“捡石头”

上海交通大学物理系主任季向东牵头的暗物质探测项目组PandaX，目前正在锦屏山底紧张地作实验准备。不久前，这个项目组刚刚受到《自然》杂志的关注——由中国主导的基础研究实验受到国际顶级刊物的关注，这样的事例并不多。

2009年的3月17日，季向东第一次到锦屏山。那时，锦屏山隧道刚贯通半年多，洞壁一直在冒水。穿着长雨靴，趟着一尺多深的水，季向东进了隧道。那天，一行共有7人，还包括清华大学、中科院、美国普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校的几位教授。在昏暗的灯光下，他们捡了几块石头。

能把一群物理学家吸引到川西高原“捡石头”，魅力就在于隧道。

按埋深计算，锦屏山隧道排名中国第一、世界第二。隧道两端入口海拔大约1600米，它穿透的山峰，最高海拔近4100米。换句话说，站在隧道深处，头顶上是厚达2500米的山体。不仅如此，整条隧道70%以上的部分，埋深都在1500米以上。

暗物质探测，说简单点，就仿佛守株待兔——将高灵敏度的探测器安置在一大片由原子核组成的“树林”里，然后静等暗物质粒子这只“兔子”自己撞上来。但在我们身边，飞行着大量的常规物质粒子和射线，而它们撞“树”的概率远远超过暗物质，它们的撞击会制造大量的干扰。

为减少误报，准确抓到“兔子”，“树林”必须布置在常规粒子很少经过的地方。

在所有干扰中，最麻烦的就是宇宙射线。宇宙射线来自太空，具有极高的能量和穿透力。隔离它们最有效的方法，就是靠岩层屏蔽；岩层越厚，屏蔽效果越好，实验环境也越纯净。

所以，世界上主要的暗物质实验室大都建立在地下数百米到数公里的深处。

在极深的地下，绝大多数宇宙射线被隔离，可暗物质却照样畅行无阻。因为暗物质极少与常规物质发生相互作用，整个地球对它来说，也就像薄薄的玻璃之于光线，何况几千米的岩石。

2008年8月8日，北京奥运开幕当天，锦屏山交通配套隧道贯通。国内学界敏锐地感到，中国缺乏开展暗物质研究条件的历史，这次或许将被改写。

于是，半年多后，7位教授组成的“观光团”来到锦屏山。

他们趟水进洞，一方面是亲眼看看这个传说中的暗物质探测宝地；另一方面，他们还要搜集当地的岩石，进行放射性检测——暗物质实验不仅要提防宇宙射线这个“外患”，也要杜绝隧道内存在放射性岩石的“内忧”。

检测结果让人非常满意：岩层所含放射性之低出乎意料。锦屏山底是一个绝佳的暗物质探测实验室候选地点，一旦建成，就将成为世界上埋藏最深的地下实验室。

穿行隧道“迷宫”

外人到了锦屏山，第一件事就是适应走隧道。整个锦屏地区简直就是一个隧道的迷宫。刚出洞，一拐弯，忽然就进了另一个洞。一旦进洞，一般根本望不到另一端洞口的亮光。隧道壁永远是黑黢黢的，路灯永远是萤火般的一点点，虽然车一直在跑，但车窗外的画面就像卡带的音乐一样，单调地重复着，几乎就是个定格镜头。就这么跟着车，在洞里摇晃，憋闷半天，差点被催眠的当口，眼睛忽然被阳光刺痛——出洞了。

在锦屏山“大工地”所有的隧道里，直接穿越锦屏山的是其中最长的一段。这隧道其实是两根，一南一北相邻，每根都是单行道，每根长18公里，大体上相当于从浦东陆家嘴到虹桥机场的距离。这两根隧道用来走车，其下约80米处，就是4根巨大的引水隧洞。

锦屏山隧道完全是原生态的，四壁是坑坑洼洼的石头，地上满是泥浆。隧道的宽度，勉强可以并排走两辆小汽车。实际上，这根锦屏山最长的隧道，也是这里最窄的一根。之所以挖不宽，是因为它顶上是几千米的大山，这让隧道内的岩石承受着巨大的应力。

水电行业有句话，三峡之外再无更大的电站。而锦屏之外，也没有更难的工程。

锦屏工程之难，关键在于开掘隧道时要对抗巨大的岩土应力。应力最大的危险是“岩爆”——顾名思义，就是隧道掘进中，由于岩层被切断，原先的内应力平衡被打破，石头随时可能像装填了火药一般炸开，以释放应力。在掘进的掌子面上，岩爆一旦发生，非常危险，大石头能瞬间把大型设备埋没，小石头则像子弹一样四处乱飞。记者在锦屏工程展示馆里，就看到好几顶被小石头击中，留下深深凹痕的钢制安全帽。

每天，上海交大暗物质实验组的常驻老师和学生，从隧道东出口的营地宿舍出发，坐车进入隧道的实验室。中午回宿舍吃饭后再进洞，直到晚上。

季向东说，原来课题组曾计划中午不出洞，把饭带进实验室吃，这就可以省下路上奔波的时间。但试了之后发现，在这样与世隔绝的洞里从早待到晚，心理上有些扛不住。

这话算不上夸张——当汽车在似乎望不到头的隧道里终于停下，走出车厢，踏过满地泥浆，站上一个水泥平台后，记者的鼻子顿时被污浊的尾气、土味和潮湿的瘴气填满。虽然隧道里空荡荡的，没有其他车经过，但空气里依然回荡着巨大的“嗡嗡”声。

昏暗的灯光实在照不亮煤黑色的隧道。但就在水泥平台上，两扇四五米高的不锈钢大门亮闪闪的，提醒外人，这个粗犷的所在与科技前沿有交集。

季向东招呼记者赶紧进实验室。他说，在隧道里站15分钟，口罩就会变黑。

但他补充说：“我们就是要在这样极端的环境下，争取把暗物质探测实验的精度做到极致。”

暗物质有多“暗”

暗物质最神奇的地方，就是它无处不在，却从未被发现。

过去，人类对宇宙的了解，主要靠望远镜搜集、分析来自遥远星系的光和电磁波。但暗物质却根本不发光，因此，直接看是看不到它们的。

大约80年前，加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基发现，某些星系边缘部分的运动速度要比预想的更快。在这个旋转速度下，星系中已知物质提供的万有引力实在难以抵挡边缘部分的巨大离心力，这些部分应该会被“甩”出去。

但是这种情况没有发生。兹威基大胆推断说，应该有种看不见的神秘物质，贡献着更多的万有引力。

在随后几十年中，各种物理实验也间接证明，宇宙中存在大量与常规物质不同的东西，贡献着额外的引力；它们就像宇宙的胶水，拉住了星系。虽然在解释这些额外引力时，物理学家曾创造出各种假说，但现在，多数科学家相信，这种看不见的东西是暗物质。而且，它们很有可能是由一类名为“弱相互作用大质量粒子（WIMP）”的微观粒子构成。

被广为接受的理论认为，WIMP粒子在宇宙中广泛存在，暗物质的总量是组成我们已知世界的常规物质的6倍多。很多人认为，它“像雾像雨又像风”，包括地球也“飘浮”在暗物质的气晕中，宇宙的演变则很大程度上被暗物质主导。了解暗物质、了解WIMP的性质，应该能为人们打开一扇巨大的未知领域的大门。

季向东说，我们所在的银河系就像一个直径约10万光年的铁饼，但这只是其“可见部分”的样子；基于暗物质模型，在“可见”的银河之外，还包裹着大量的暗物质。算上它们，整个银河系的直径可能要大上10倍。

打个比方，如果把完整的银河系比成一颗葡萄，那么已知部分只是小小的“葡萄籽”，大团“果肉”里全是暗物质粒子。

人类对暗物质的认识，一直就像“闻香识女人”，只来自间接观测证据。迄今，没有强有力的直接证据让科学家能信心满满地宣布：“暗物质被找到了。”

要找暗物质，得在微观尺度上，与可能存在的WIMP粒子接触，了解其大小、质量等基本性质。而要“接触”，就得接受暗物质的“行事规则”。

物理学将物质间的各种力归为四种相互作用：电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用、万有引力。暗物质只参与后两种，要与暗物质粒子接触，唯一的方法，是静候它们在飞行中偶然与常规物质的原子核碰撞。

季向东说，暗物质探测实验会搭建一个原子核的“树林”，然后“守株待兔”。不过，仪器抓到的还不是暗物质这只“兔子”，而是它与常规物质的原子核碰撞后，原子核发出一些信号：光、振动或是电子。这些信号，就好比是被兔子撞到的树上掉下的叶子。

但无论这碰撞产生的是光、热，还是电子，它都非常微弱，所以，科学家需要造出尽可能灵敏的探测器。在锦屏山底的中国暗物质实验室，中国的科学家正翘首以待，希望不错过这道奇妙的光。

有意味的是，根据目前的理论推算，暗物质粒子WIMP的尺寸可能比人们已知的所有基本粒子更小，但这些“最小的粒子”却决定了我们已知的最大尺度的对象——宇宙的演化。这就是大与小的辩证法。

暗物质实验到底有什么用？——访PandaX项目组负责人季向东

文汇报：中国目前介入暗物质探索，介入前沿的物理基本问题的研究，有什么现实意义？

季向东：这种探索本身蕴含了一种难能可贵的挑战精神。

在PandaX项目中，上海交大给予了课题组很大的支持，这种支持不仅是经费，更是一种对科学研究的理解和宽容。

交大校长张杰曾说，在极深地下实验室的理想屏蔽环境中一定会有不少物理发现；退一万步说，即使探测十年无果，这些探索也是有意义的，因为我们向世界展示了中国科学家没有功利色彩的科学追求精神。

文汇报：如果发现了暗物质，会对国民经济有什么推动吗？

季向东：暗物质，即使发现了，短期内很难说能有什么用处。但是，暗物质探测、以及其他重大基础课题研究，一定会对工程技术领域产生推动。就拿我们的PandaX项目来说，探测器外的高纯度无氧铜屏蔽体，要求铜的纯度达到5个9，也就是99.999%。我们在河南找到了一个有能力提供这种铜材料的企业。

现在，我们的实验用到一些仪器和零件，很多得靠进口，比如极高灵敏度的光电管。这个产品价格接近一辆小汽车，附加值非常高，但国内做不了；如果有企业能提供，一定能有不错的回报。

在美国一些著名的理工科高校周边，都有一大群中小型高科技企业。这些企业技术水平很高。它们的崛起，很大程度上是依赖这些著名高校的实验室。

国内要建设世界一流大学，离不开这样一个高科技产业生态环境。反过来，高水平的研究，也能支撑起足够多的掌握核心技术的企业。这些企业是真正的高科技产业，具有很强的生命力。

文汇报：现在似乎有一种论调，优秀的学生不太愿意在国内从事基础科学研究。您怎么看？

季向东：基础研究，某种程度上也是人才的竞争。要吸引年轻人在国内工作，除了提供与国际水平可比的待遇，更重要的是为他们实现学术理想提供机遇，这就需要具有国际一流水平的科研平台。

（www.61k.com）

二 : 世界最深实验室探访锦屏地下实验室捕捉暗物质踪迹

11月1日消息，世界上有许多来自于外太空的物质仅凭人类自身的体感无法捕捉得到，在这当中就有暗物质。[www.61k.com］暗物质就指的是那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在，科学家在最近的一些实验之中，逾进突破。