尋找暗物質

云凡

絕大多數天文學家均接受這樣一個令他們困惑的事實：宇宙中看不見的物質在數量上要遠遠超過我們能夠看到的。科學家認為可見物質——包括所有行星、恒星以及星系等只占宇宙總質能的4%左右，我們不知道的物質占了宇宙總質能的96%——其中暗物質占了宇宙的23%，還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。宇宙中的暗物質比構成我們普通世界的原子物質多得多。在閱讀這段文字時，每秒將有100萬暗物質粒子穿過你的小指。人們卻看不到它們，因為它們不發(fā)射任何光，它們不帶電荷，與原子物質的相互作用很少。暗物質沒有電磁場，這也就意味著幾乎無法借助任何常規(guī)科學測量設備探測到它們的存在。但人們知道它們是存在的，因為如果它們不存在，就無法解釋宇宙的結構。

暗物質是誰最先發(fā)現的？

1915年，愛因斯坦根據他的相對論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質量的多少。他認為宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5×10－30克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質“失蹤”了，科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。

誰最先發(fā)現了暗物質呢？20世紀30年代，瑞士天文學家茨威基（1898～1974）（圖1）發(fā)表了一個驚人的言論：在星系團中，看得見的星系只占總質量的1%以下，而99%以上的質量是看不見的。茨威基首先發(fā)現了暗物質的存在，但當時許多人并不相信茨威基的結果。由于暗物質根本不與電磁波發(fā)生作用，更不會發(fā)光，所以在天文上用光的探測手段絕對看不到暗物質。

暗物質存在的證據

萬物之間存在萬有引力，太陽系的八大行星圍繞太陽旋轉，越往外其轉動的速度越低，比如地球繞日速度是每秒30千米，高于火星，而火星的速度又高于位于它之外的木星，這是典型的中間有一顆大恒星的行星系表現。20世紀70年代初，科學家在觀測宇宙其他一些星系中的恒星運行速度時就發(fā)現，越往外，圍繞中心的速度并不都是衰減下去，而是和內圈恒星的速度差不多。這與越往外，物質越少，引力也越小，速度也應該越低的常規(guī)不符。由此反推，此時雖然外圈的那些能被直接觀測到、數出來的星星數目變少了，但其實內部的物質數量并沒有減少，引力也沒有變小，只不過觀測不到而已。科學家們大膽地猜測：宇宙中一定有某些物質沒有被我們的天文觀測所發(fā)現，這些物質被稱為“暗物質”。

科學家認為，通過測量物體圍繞星系轉動的速度可以找到暗物質存在的證據。根據人造衛(wèi)星運行的速度和高度，就可以測出地球的總質量。根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質量。同理，根據物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系范圍內的總質量。計算的結果發(fā)現，星系的總質量遠大于星系中可見星體的質量總和，推算的結果：星系中的暗物質約占宇宙物質總量的20％～30%。

到地下尋找暗物質

如何“網”住暗物質？科學家們也想了很多辦法。地下實驗室被認為是進行暗物質研究的最理想場所，其中的原因是：地下深處實驗室能最大程度上免受宇宙射線對尋找暗物質存在證據的干擾。科學家認為，宇宙中的絕大多數暗物質并不含有原子，不會通過電磁力與普通物質發(fā)生相互作用。而在地面上，因為來自宇宙的射線眾多，這些信號會對直接探測產生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實驗室可以幫助探測器“擋”住干擾，讓其“靜心”工作。目前，全球地下實驗室多達20多個，科學家正尋求將尋找暗物質的地下實驗轉移至更深的地點進行。

在太空中尋找暗物質

除了地下尋找暗物質，科學家利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質和暗物質，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學的一些重大和疑難問題。

阿爾法磁譜儀是人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀，這是美籍華裔物理學家丁肇中教授提出并領導的大型國際合作科學研究項目，由美國和中國等10多個國家和地區(qū)的37個科研機構參加科研工作。阿爾法磁譜儀由一個直徑約1.2米、高0.8米、重量約為1.85噸的圓環(huán)形永磁體產生均勻的平行磁場，磁束密度約為0.15特斯拉。圓環(huán)內安裝6層硅微調探測器，用來記錄帶電宇宙射線粒子的運動軌跡。磁譜儀的上、下兩層還裝有閃爍體，當粒子穿過時會發(fā)出亮點，其亮度與粒子穿過時的能量成正比。通過上、下兩層光點亮度及穿過瞬間的比較，可以得出粒子能量的損失大小以及粒子穿過所需的時間。反物質、暗物質在磁場中運動時會表現出不同的特點，因而可以探測出來。阿爾法磁譜儀能精確測量存在于太空中的反質子、正電子、光子和其他粒子的能量分布，從而有可能揭開暗物質的秘密。2012年5月，高精度粒子探測器“阿爾法磁譜儀2”由美國“奮進號”航天飛機搭載到國際空間站上長期運行，科學目的是尋找反物質和暗物質。

新發(fā)現：暗物質可以創(chuàng)造生命？

美國費米實驗室天體物理中心的兩位科學家發(fā)現，暗物質存在另一種神秘效應，這種效應可能支持宇宙中生命的誕生，或者說是生命進化的一個重要因素。費米實驗室的科學家提出新的暗物質效應：遍布宇宙空間中的暗物質粒子可能在一種機制的作用下，進入一個行星的核中，并通過與物質的湮滅釋放出足夠的能量，這些能量能保證這顆行星上出現液態(tài)水，從而支持生命的誕生。這個觀點超越了傳統(tǒng)的太陽系外生命理論所認為的：生命應該誕生于恒星的宜居帶上。這個觀點在相當程度上拓展了天體生物學家對太陽系外生命的定義范圍：原先天文學家都是尋找遙遠恒星周圍的可居住帶，認為在那兒具有適當的光照，適宜的溫度，可以讓水保持液態(tài)，從而支持生命。但是，暗物質粒子碰撞理論打破了這種思維常規(guī)，只要在暗物質聚集豐富的行星周圍就具備了液態(tài)水所需要的環(huán)境條件，高密度暗物質覆蓋的行星將是今后天文學家觀測的重點。

隨著暗物質的證據不斷增加，如今暗物質已經成為現代天體物理學中一個牢固確立的概念。實際上，這個概念幾乎必須存在，這樣才能解釋為何單個星系快速旋轉卻沒有分崩離析以及星系群為何以這樣相互作用的方式運動。如果不存在比恒星、星際分子氣體云和其他可見物質多10倍的暗物質，那么宇宙將不合情理。

【責任編輯】蒲暉

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暗物質與暗能量的區(qū)別

暗物質是指那些自身不發(fā)射電磁輻射,也不與電磁波相互作用的一種物質。人們目前只能通過引力產生的效應得知宇宙中有大量暗物質的存在。已經知道的兩種暗物質是黑洞、中微子，但是它們占暗物質總量是非常微小的，暗物質中的絕大部分現在還不清楚。暗物質占宇宙物質總量的23%。

暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。我們知道的普通物質與暗物質加起來大約只占其三分之一左右，所以仍有三分之二的短缺，這一短缺的物質稱為暗能量，暗能量在宇宙中占總物質的73%。目前對于暗能量仍然知之甚少，暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種。

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暗物質的理論模型

歷史上，人們將可能的暗物質分為3個大類：冷暗物質、溫暗物質、熱暗物質。?這個分類并非依照粒子的真實溫度，而是依照其運動的速率。冷暗物質：在經典速度下運動的物質。 溫暗物質：粒子運動速度足以產生相對論效應。熱暗物質：粒子速度接近光速。

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暗物質與人體碰撞

每秒鐘有數以億計的暗物質粒子穿過我們的身體，其中大部分在通過時都暢通無阻，但是，偶爾某一個暗物質粒子會與我們身體里的原子核發(fā)生碰撞。這種情況經常發(fā)生嗎？2012年，美國兩位科學家計算出了暗物質和人體組織發(fā)生相互作用的幾率。他們計算了平均尺寸的人體中，有多少原子核與穿過的暗物質粒子發(fā)生了碰撞。得到的計算結果是，地球上每個人每年要承受１０萬次的暗物質粒子碰撞。

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中國建地下實驗室尋找暗物質

2010年12月，中國首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用，錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋達2400米。它的建成標志著中國已經擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平臺，能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。

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歐洲強子對撞機尋找暗物質

歐洲核子研究中心（CERN）表示，他們的大型強子對撞機（LHC）已經發(fā)現了疑似希格斯玻色子的粒子，下一步將著手搜尋暗物質，為了完成這一目標，他們將耗資12億歐元對大型強子對撞機進行升級。