暗物质和暗能量

第一难题

　　暗物质是现代物理学的最大乌云，研究它有助于了解星系的演化和物质构成规律

　　虽然，人们早已经猜测到暗物质可能存在，但一直以来从未明确探测到暗物质粒子，因此，还不能确定暗物质的性质。

　　目前，寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。世界各国都在集中人力、物力和财力组织攻关，开展这一重大交叉学科的研究。

　　2004年8月，美国国家科学与技术委员会公开发布的物理与天文学发展战略中，列出了新世纪要解答的11个难题，排在第一位和第二位的分别是“什么是暗物质”、“暗能量的本质是什么”。

　　那么，探测和研究暗物质，其意义何在？

　　诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”

　　其实，很多物理学家和天文学家都开始有这样的预感：今天物理学的情况与19世纪末20世纪初诞生相对论和量子论时非常类似。

　　“历史经过百年轮回，人类对物质世界的认识又一次处在了十字关口，暗物质便是一个关键突破口。因此，可以这么说，揭开暗物质之谜将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后，人们认识自然规律的又一次重大飞跃。”国家天文台研究员秦波说。

　　对此，张新民又做了进一步的解释。

　　“对于宇宙中4%的物质，即所谓的通常物质，我们已经建立了一套非常完备的理论，即所谓标准模型，进行描述。但是标准模型并不能描述宇宙中暗物质的现象。这就表明，我们对于物质的基本组元、基本结构还有待进一步的深入研究。而暗物质是目前最明确的突破了标准模型的观测现象，了解暗物质的性质就可能带我们走进基本粒子更加深入细微的结构中，了解更加深刻、基本的物质构成的规律。在另一方面，了解暗物质的性质对于我们理解宇宙中像星系、星系团这样的大尺度的结果是如何在宇宙演化过程中形成也同样具有重要的意义。

　　捕捉“220千米/秒”

　　暗物质以220千米/秒高速运动、与普通物质相互作用弱难以探测，捕捉它需“上天入地”

　　暗物质之所以“暗”，不仅是指它不发光，更重要的是它太难捉摸。

　　“每天可能有几万亿个暗物质以高速穿过你的身体，且未留下任何痕迹，让你完全感受不到。”张新民做了个比较，56式半自动步枪子弹出膛的速度是每秒700米，而这些暗物质粒子却是以每秒220千米的高速在运动，是前者的300倍。

　　如何“捕捉”住暗物质？

　　首先，科学家们曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测，例如，惰性中微子（Sterile neutrino）温暗物质、引力微子（Gravitino）温暗物质、轴子（Axion）冷暗物质等。

　　张新民说：“就目前而言，被研究得最多也是最被粒子物理学家看好的暗物质模型是所谓弱作用重粒子。主要因为这种粒子与普通物质有弱相互作用，所以具有可探测性。相比之下，对于许多其他的暗物质模型，由于其与普通物质的相互作用更弱，在目前的实验水平下使得探测它们的可能性更小。”

　　接着，科学家们又想了很多种实际探测的实验办法。

　　最初的办法是天文观测法，但是却无法解答“暗物质是什么”。后来，人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者，是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者，则是用原子核与暗物质碰撞产生的信号。而在地面上，因为宇宙射线众多，这些信号会对直接探测产生干扰，影响其鉴别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰，让其“静心”工作。

　　“丁肇中团队所使用的阿尔法磁谱仪2号（AMS―02）当然是目前灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段。在此之前，在不同的实验上都看到了一些‘反常’迹象，人们怀疑这些就是暗物质的信号，但是，由于实验的灵敏度还不够，这些迹象都还无法确认为暗物质的信号。”毕效军说。

　　除了阿尔法磁谱仪，其他实验，例如位于瑞士的大型强子对撞机进行的实验，以及深埋在中国四川锦屏地下的暗物质探测器实验等也还都在进行当中，他们都可能在不远的未来有所新发现。

　　“世界范围内的暗物质探测实验正在蓬勃发展，未来10年、20年将是暗物质探测的黄金时代，肯定也会有所突破。”秦波说。