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暗物质:“隐形”的大多数

     中国科学院不久前表示,今年年底将发射一颗暗物质粒子探测卫星。这颗卫星的一个使命是寻找暗物质存在的证据。从20世纪30年代至今,科学界从未停止对暗物质的探索。那么,什么是暗物质?找到它难在哪里?探索它又有何意义?

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  暗物质不发光,不发出电磁波,从来没有被直接“看”到过 

  一般情况下,凭借肉眼或借助工具就能看到普通物质,即使它们藏身于最黑暗的角落,只要有光照总能被发现,但暗物质是个例外。

  暗物质最早是天文学家观测宇宙时“发现”的。20世纪30年代,瑞士天文学家茨威基研究发现:在星系团中,看得见的星系占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。这一结论意味着星系团中有某种神秘物质被人忽略。

  在当时,多数人并不认同茨威基的观点。不过,后来的宇宙观测结果越来越验证这一观点的可信性。因为按照万有引力原理,物体围绕中心旋转,越往外转动速度越低。但20世纪70年代,科学家在观测宇宙一些星系中的恒星运行速度时发现,往外看,围绕中心的速度并不都是衰减下去,有些和内圈恒星的速度差不多。理论上讲,越往外,物质越少,引力也越小,速度也应该越低。科学家由此推测:外圈的那些能被直接观测到的、数出来的星星数目变少了,但其实内部的物质数量并没有减少,引力也没有变小,只不过没被观测到而已。这些天文观测直接看不到的物质被称为暗物质。

  “虽然我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质,但我们却发现了由于这种物质的引力作用对于其他可见的物质运动的影响,这是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”中科院高能物理所研究员毕效军说。

  暗物质的物理组成到底是什么?毕效军说,通常认为暗物质是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。与通常物质一样,暗物质也有引力作用。根据引力效应,天文学家估算,宇宙由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成。这些看不见的“大多数”就像披上了隐身衣一样,使得长期以来,在宇宙中占比最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的,至今仅知道它们存在,还不清楚它们的性质。

  暗物质如何产生?毕效军认为,和普通物质一样,暗物质应该也来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻,宇宙温度非常高,粒子能量非常强,它们剧烈碰撞,在这种相互作用下,包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。

  暗物质运动速度是子弹出膛速度的300倍,穿过人体时不会留下任何痕迹 

  为了解暗物质这种存在于宇宙的隐身神秘“居民”,科学家做出了一些基于假设的理论模型,但物理学界渴望有实验研究的结果特别是直接探测的结果,对这些理论模型进行验证。

  中科院高能物理所研究员张新民介绍,国际科学界研究最多也最被粒子物理学家看好的暗物质模型是“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,其他暗物质模型,由于与普通物质的相互作用更弱,在现有的实验水平下探测到的可能性更小。

  暗物质难以探测,除了不发光外,还在于它的速度快,难以捕捉。科学家测算,暗物质粒子每秒的运动速度为220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。而且它们穿过人体时,不会留下任何痕迹,人完全没有感觉。

  “暗物质粒子必须有相互作用我们才能‘看’得到它,但是现在具体是什么样形式的相互作用,我们是不知道的。”毕效军认为,如果能够测量到这种相互作用,就有望成功地探测到暗物质。

  暗物质粒子探测卫星科学应用系统副总设计师范一中说,目前,暗物质粒子存在的证据都是通过引力相互作用发现的,实验中还没有确定的暗物质信号被探测到。国际上对暗物质探测方式主要分为3类。第一类是加速器探测,这方面主要的探测设备是欧洲核子中心的大型强子对撞机;第二类是在地下进行的直接探测,中国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验;第三类是间接探测,主要是在空间进行。中科院年底将发射的探测卫星就是采用这种探测方式,因为物理学家们认为暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对,这些粒子对在太空中传播就成了宇宙中宇宙射线和伽马射线的一部分。我国发射暗物质粒子探测卫星,就是收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子,通过其能谱、空间分布分析来寻找暗物质粒子存在的证据。

  在用间接探测方式的尝试中,国际上一项瞩目的工作是将强磁场和精密探测器送到太空。阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。2013年美籍华人物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中领导的研究团队宣布,阿尔法磁谱仪发现了“弱作用重粒子”存在的证据,而“弱作用重粒子”就是一种暗物质的候选体,意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步。去年9月,丁肇中团队和东南大学发布合作研究成果表示,暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认,进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。

  国际科技界认为,未来10到20年将是暗物质探测的黄金时代。

  揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃 

  范一中说,现代物理学取得了巨大的成就,绝大部分现象可以在粒子物理标准模型的框架中得到满意的解释。但暗物质并不适用,这让物理学的天空悬着一朵“乌云”。

  张新民说,对于宇宙中5%的物质,即所谓的普通物质,我们已经建立了一套非常完备的理论,即所谓标准模型来进行描述。但是标准模型并不能说明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深入研究。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。

  对暗物质的研究长久以来是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。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以及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。

  “了解暗物质的性质,对于我们理解宇宙中星系、星系团等如何在宇宙演化过程中形成,具有重要的意义。”张新民说。

  暗物质被证实存在,给人们的观念带来极大的冲击和突破。之前,人们无法想象这种看不见摸不着的物质在宇宙中竟占有如此大的比重。李政道先生曾认为,对暗物质的研究将预示着物理学的又一次革命。

  科学家相信,通过探索“不可见宇宙”如何影响银河系和宇宙的过去、现在和未来,人类最终一定能够了解宇宙的起源。很多物理学家和天文学家已经开始有预感:今天物理学面临的状况与19世纪末、20世纪初诞生相对论和量子力学时非常类似。

  “经过百年,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。可以说,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。

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