暗物質是什么？

神秘的暗物質

從字面上理解，那些黑暗、不發光的物質都可以叫暗物質。在歷史上，有很多這樣的“暗物質”。

1844年，德國天文學家貝塞爾觀察天狼星的運動時，發現它的軌跡呈波浪形。他猜想，可能有一顆看不見的星星與天狼星組成雙星系統。這顆看不見的星星在當時可以被視為那個時代的“暗物質”。后來，隨著望遠鏡觀測能力的提升，人們發現了一顆叫天狼 B的白矮星，它是天狼星的伴星。另一個例子是海王星的發現。當時人們發現天王星的軌道有些異常，英國的亞當斯和法國的勒威耶提出在天王星軌道外還有一顆大行星。后來，人們將望遠鏡對準預測的天區，發現了海王星。

這些曾被認為是暗物質的天體，在觀測手段改進后，被證實是一些表現暗弱的普通天體。但是現在科學家發現，宇宙里確實存在一種真正的暗物質。暗物質的證據來自對星體運動的測量。在太陽系中，行星繞太陽運轉的速度隨著距離的增加而減小，這完全符合開普勒定律。然而，當我們觀察像M33這樣的星系時，發現越往外的天體繞星系中心轉動的速度反而越快。這與理論預測完全不同。為了解釋這種現象，科學家推測在那些黑暗、不發光的區域存在暗物質。這就是現代意義上通過天文學觀測間接發現的宇宙中的暗物質。

有人可能會問，如果我們的觀測能力提高，這些暗物質是否也會變成明物質？科學家也在思考這個問題。但是經過大量研究發現，這些暗物質的物理性質與普通物質完全不同：即使用更大的望遠鏡、更精確的觀測設備，也無法直接“看到”暗物質。這就是暗物質神秘的地方。

宇宙的標準模型

基于大量的天文學觀測，科學家建立了宇宙的標準模型。根據這個模型，宇宙始于約137億年前的一次大爆炸，目前宇宙還在膨脹。宇宙的成分是這樣的：普通物質約占5%，暗物質約占25%，還有約70% 是性質更為奇特的暗能量。

換句話說，人類過去幾千年的探索實際上只觸及了宇宙約5%的內容，剩下約95%的宇宙對我們來說還是完全未知的。科學家通過計算機模擬給出的宇宙中暗物質的分布圖像，雖然不一定絕對準確，但它展示了我們目前對暗物質分布的理解。

無處不在，卻難以捕捉

既然宇宙中有這么多暗物質，為什么我們在日常生活中感受不到呢？這是因為暗物質的分布非常稀疏。如果我們把整個地球這么大體積里的暗物質加起來，總質量只有約0.5千克。因此我們在日常生活中感受不到暗物質的存在。但是，如果我們把視野放大到銀河系，情況就不同了。銀河系中的暗物質質量是恒星和氣體物質總質量的10倍左右。

雖然密度很低，但這些暗物質粒子都在快速運動，速度大約是每秒數百千米，與太陽系在銀河系中的速度相當。據估算，每秒鐘約有1 億個暗物質粒子穿過我們的身體。不過不用擔心，因為暗物質粒子幾乎不與普通物質發生相互作用，我們感受不到它們的存在。

暗物質的本質

那么，暗物質到底是什么？這是目前科學研究最關心的問題之一。根據我們對物質世界的認識，普通物質是由基本粒子構成的。原子由原子核和電子構成，原子核又由質子和中子構成，質子和中子還可以分解成夸克。目前，夸克是我們所知的最基本的物質層次。然而，在已知的粒子中，沒有一種可以合理地解釋觀察到的暗物質的性質。因此，科學家猜測暗物質很可能是一種全新的、我們目前完全不了解的粒子。

三種探測方法

為了探測暗物質，科學家采用了三種方法。

地下直接探測實驗是各國科技競爭的前沿陣地。全世界有很多這樣的實驗正在進行。我國在四川西昌錦屏山隧道下創建了兩個直接探測實驗：清華大學牽頭的“盤古”實驗和上海交通大學牽頭的“熊貓”實驗。這兩個實驗的靈敏度已經達到了世界先進水平。

在間接探測方面，我國于2015年發射了暗物質粒子探測衛星“悟空”號。2021年7月，四川稻城的高海拔宇宙線觀測站（“拉索”）建成，該觀測站也可以用來間接探測暗物質。

此外，由諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授領導的阿爾法磁譜儀實驗，也在國際空間站上進行暗物質探測。在空間站的宇宙線實驗中，科學家觀察到了一些反?，F象。例如，阿爾法磁譜儀和“悟空”號衛星都測量到了一些目前難以解釋的數據。有些科學家提出用暗物質來解釋這些數據，但也有人持不同意見，認為可能有其他解釋。

遺憾的是，盡管科學家進行了幾十年的探索，暗物質探測的進展仍然較遲緩。在地下直接探測實驗和粒子對撞機實驗中，還沒有看到暗物質存在的明確跡象。

這些結果表明，暗物質的探測是一項極具挑戰性的工作。為了取得突破，我們需要繼續改進觀測設備和實驗技術。

探測暗物質，中國有重器

近年來，隨著經濟的發展，我國有機會建造一些世界級的天文設備。其中，貴州平塘的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）是世界上最大的單口徑射電望遠鏡。此外，河北興隆的郭守敬望遠鏡、青海德令哈的毫米波望遠鏡、四川稻城的高海拔宇宙線觀測站、云南麗江和青海冷湖的光學天文觀測設施，以及部署在南極冰穹上的望遠鏡等，這些設備為我們探索宇宙提供了強大主力。

在空間天文方面，我國也取得了長足進展。從20 世紀70年代的高空氣球實驗，到20世紀90年代開始的載人航天工程，再到2000年以來的嫦娥探月工程，我國的空間天文發展進入了快車道。2015年“悟空”號衛星發射后，我國又陸續發射了“慧眼”衛星、“極目”衛星、“先進天基太陽天文臺”衛星等。2024年，我國還發射了愛因斯坦探針衛星和中法合作的 SVOM衛星。未來，有望在我國空間站上建設大型的巡天望遠鏡。

中國錦屏地下實驗室（CJPL）

若是在地上開展暗物質探測實驗，探測器接收到的信號會淹沒在宇宙射線的信號中，研究人員無法分辨。

中國錦屏地下實驗室是目前世界上巖石覆蓋最深的深地實驗室，對宇宙線μ子具有良好的屏蔽作用，具有極低的宇宙線通量，因此適用于開展對稀有物理事件的探測實驗。

中國錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋厚度達到 2400米，為世界最深，而且可以開車直接進入，交通便捷，綜合條件可謂世界一流。

深地實驗室的低宇宙線強度和低輻射本底等特性有利于暗物質探測。

暗物質是冷的還是熱的？

科學家將暗物質分為冷暗物質、溫暗物質和熱暗物質。暗物質還有溫度？其實，這里的冷、溫和熱，描述的是暗物質粒子在早期宇宙中的運動速度，而非真實溫度。科學家可以利用模型模擬出不同類型暗物質作用下宇宙物質的分布，從而推斷暗物質的“冷熱”。

現象、規律和理論

讓我們來看看科學研究一般遵循的三個步驟：發現現象、總結規律、提出理論。

例如，第谷通過大量的天體觀測積累了豐富的數據。他的學生開普勒在這些數據的基礎上，提出了行星運動三定律。后來，牛頓提出萬有引力理論，解釋了為什么行星會按照開普勒定律運動。

另一個例子是宇宙學中的紅移現象?？茖W家發現，遙遠天體發出的光譜線普遍向紅端移動，這就是紅移現象。美國天文學家哈勃在此基礎上提出了哈勃定律，指出越遠的天體退行速度越快。后來，美國宇宙學家伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理論，解釋了為什么會出現哈勃定律描述的現象。

暗物質研究可能也會遵循類似的路徑。我們已經觀察到了許多天體系統中的引力異?，F象，并總結出了一些規律?，F在，我們可能正在進行第二步。至于第三步，我們能否提出新的理論來解釋暗物質的本質，還有待探索。

暗物質問題是當前最重大的科學問題之一。對其本質的認識必將帶來新一輪的科學革命。然而，盡管暗物質的發現已有近百年歷史，但從實驗上探測暗物質仍是一項極具挑戰的任務。這可能需要再花費一百年，甚至更長的時間，需要幾代人的艱苦努力，才有可能最終揭開暗物質的神秘面紗。