暗物質:宇宙最神秘的隱身“居民”

邯鄲市第四中學 張彥升

暗物質:宇宙最神秘的隱身“居民”

邯鄲市第四中學 張彥升

暗物質就是具有隱身功能的，人類至今無法看清和不能解釋的物質。宇宙中的暗物質總質量是普通物質的6倍。此外，還有暗能量，它們彼此之間巨大引力作用造就相對平衡的宇宙與有條不紊運行的星系。太陽、地球和月亮作為獨立的天體能安靜地懸浮在太空中，其中就有暗物質釋放的超級力量的支撐。

20世紀30年代，瑞士天文學家茨威基研究發現：在星系團中，看得見的星系占總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。這一結論意味著星系團中有某種神秘物質被人忽略了。

一般情況下，憑借肉眼或借助工具就能看到普通物質，即使它們藏身于最黑暗的角落，只要有光照總能被發現，但暗物質是個例外。暗物質不發光，不發出電磁波，所以從來沒有被直接“看”到過。

雖然當時多數人并不認同茨威基的觀點。可后來的宇宙觀測結果不斷驗證該觀點的可信性。后來全世界科學家基本達成共識：雖然我們從來沒有直接“看到”宇宙中存在這種物質，但我們卻發現了由于這種物質的引力作用對于其他可見的物質運動的影響，這是我們斷定宇宙中存在這種物質的理由。

中科院高能物理所研究員畢效軍表示，通常認為暗物質是一種不發光、不發出電磁波、不參與電磁相互作用的全新粒子。根據引力效應，天文學家估算，宇宙由27%的暗物質、68%的暗能量和5%的普通物質組成。這些看不見的“大多數”就像披上了隱身衣一樣，使得長期以來，在宇宙中占比最多的東西反而是人類最遲也是最難了解的，至今僅知道它們存在，還不清楚它們的性質。這也是暗物質的神秘所在。畢效軍認為，暗物質應該也來自于宇宙大爆炸。

為了解暗物質這種存在于宇宙的隱身神秘“居民”，科學家做出了一些基于假設的理論模型，但物理學界渴望有實驗研究的結果特別是直接探測的結果，對這些理論模型進行驗證。這正是我們發射“悟空”暗物質探測器上天探索的動因。

暗物質難以探測，除了不發光外，還在于它的速度快，難以捕捉。科學家測算，暗物質粒子每秒的運動速度為220千米，是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。而且它們穿過人體時，不會留下任何痕跡，人完全沒有感覺。

暗物質具有隱身性，就像作為能量存在的紫外光，我們的肉眼看不見。暗物質粒子必須在相互作用時，我們才可能觀察到它們。遺憾的是，科學家還不知道它們具體的相互作用是什么樣的形式。如果能夠測量到這種相互作用，人類就有望成功地探測到暗物質。

有人不明白，對這種看不見摸不著的東西，有必要大費周章地進行探索研究嗎？科學家的回答當然是肯定的。原因很簡單，支撐人類文明進步的自然科學發展遇到了無法逾越的瓶頸。簡單說，現代物理學取得了巨大的成就，絕大部分的現象可以在粒子物理標準模型的框架中得到滿意的解釋。但暗物質卻不適用，這讓物理學的天空懸著一朵“烏云”，而物理學卻是現代科學最重要的支撐。

對暗物質的研究是粒子物理和宇宙學的核心問題之一。尋找暗物質粒子，研究暗能量的物理本質，與探索宇宙起源及演化的奧秘是息息相關的，同時它也是21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。

了解暗物質的性質，對于我們理解宇宙中星系、星系團等如何在宇宙演化過程中形成，具有里程碑式的重要意義。

我國“悟空”暗物質探測器，使中國科學家第一次躍身世界自然科學研究的前沿，與學界巨子探討交流。它是載入中國科學發展史的一件大事。