科学家对暗物质的探索已经持续了几十年,但它仍然是现代物理学中最神秘的现象之一,暗物质被认为约占宇宙物质的85%,但其性质仍然未知。
暗物质的存在最早是由瑞士天文学家弗里茨·兹威基,在上世纪30年代提出的。兹威基观察了后发星团中星系的运动,发现后发星团的质量远远大于仅靠可见物质所能解释的质量。
这导致他提出了暗物质的概念 - 一种不与光或其他形式的电磁辐射相互作用的物质,因此无法直接观察到。
从那时起,许多观测证实了暗物质的存在。最令人信服的证据之一来自宇宙微波背景(CMB)辐射,这是大爆炸的剩余辐射。
CMB包含温度的微小波动,这些波动可用于绘制宇宙中物质的分布图。CMB的观测表明,宇宙由大约85%的暗物质和15%的普通物质组成。
粒子物理实验旨在研究构成宇宙的基本粒子。这些实验通常使用粒子加速器进行,粒子加速器将粒子加速到接近光速,然后将它们相互撞击。
由此产生的碰撞会产生新的粒子,可以研究这些粒子以了解有关物理基本定律的更多信息。
许多旨在研究暗物质的实验都是基于暗物质粒子存在并且可以直接检测到的想法。
如果暗物质粒子存在,它们应该偶尔通过弱核力与普通物质相互作用。可以使用多种方法检测这种相互作用。
一种方法是在地下探测器中寻找暗物质粒子的散射残余物。这些探测器通常位于地下深处,以保护它们免受宇宙射线的伤害,宇宙射线会干扰暗物质粒子的探测。
探测器旨在寻找暗物质粒子与探测器材料原子核之间的弱核力相互作用。这些相互作用会产生可以被探测器检测到的微量能量。
目前正在进行一些这种类型的实验,包括意大利的DAMA / LIBRA实验和南达科他州的LUX-ZEPLIN实验。这些实验尚未发现暗物质粒子的任何确凿证据,但它们对暗物质粒子的性质提出了限制。
另一种方法是使用粒子加速器直接产生暗物质粒子。如果暗物质粒子存在,它们应该是在加速器中普通粒子的碰撞中产生的。然后可以使用各种方法检测这些颗粒。
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)是目前世界上最强大的粒子加速器。大型强子对撞机已被用于通过以非常高的能量碰撞质子来寻找暗物质粒子。
由此产生的碰撞会产生各种粒子,包括一些可能是暗物质粒子的粒子。这些粒子很少产生,因此检测它们需要极其灵敏的探测器。
天文学为研究暗物质提供了另一个平台。由于暗物质不与光或其他形式的电磁辐射相互作用,因此无法直接观测到。然而,可以观察到它对可见物质的影响,这为它的性质提供了有价值的线索。
暗物质最令人信服的证据之一来自对星系团的观测。这些星系团由成百上千个被束缚的星系组成一起通过重力。
对这些星系团内星系运动的观察表明,存在的质量远远超过仅可见物质所能解释的质量。这导致天文学家得出结论,这些星团中一定存在大量的暗物质。
使用天文学研究暗物质的另一种方法是观察它如何影响来自遥远星系的光。当来自遥远星系的光在到达我们的途中穿过一个星系团时,它可以被星系团中的质量引力透镜。
这种透镜化可以在背景星系的形状上产生扭曲,这可以用来绘制星团中质量的分布。
近年来进行了几次大规模的调查,以绘制宇宙中质量的分布图。这些调查,如斯隆数字巡天和暗能量巡天,已被用于研究宇宙的大尺度结构并寻找暗物质的证据。
天文学最近最令人兴奋的发展之一是对引力波的探测。
引力波是由大质量物体(如黑洞或中子星)的加速度引起的时空涟漪。对这些波的探测提供了一种研究宇宙的新方法,并可能用于研究暗物质。
一种可能的方法是寻找暗物质对引力波传播的影响。如果暗物质存在于引力波的路径中,它可能会导致波的一个小延迟或偏转。
检测这些效应需要极其灵敏的探测器,但它可以提供一种研究暗物质的新方法。
寻找暗物质是现代物理学中最重要的问题之一。虽然暗物质的存在已经确定,但其性质仍然未知。
粒子和天文平台是用于研究暗物质的两种主要方法,它们都为我们理解这种神秘现象做出了重要贡献。
粒子实验旨在直接检测暗物质粒子,而天文学平台则寻找暗物质对可见物质的影响。这两种方法都有其优点和缺点,可能需要两者的结合才能完全理解暗物质。
虽然在理解暗物质方面取得了进展,但仍有许多工作要做。新的实验和观察一直在进行,随时都有可能出现突破。
归根结底,理解暗物质的本质对于我们理解整个宇宙至关重要,它仍然是现代物理学中最重要的问题之一。