暗物质:宇宙最神秘的隐身“居民”

邯郸市第四中学 张彦升

暗物质:宇宙最神秘的隐身“居民”

邯郸市第四中学 张彦升

暗物质就是具有隐身功能的，人类至今无法看清和不能解释的物质。宇宙中的暗物质总质量是普通物质的6倍。此外，还有暗能量，它们彼此之间巨大引力作用造就相对平衡的宇宙与有条不紊运行的星系。太阳、地球和月亮作为独立的天体能安静地悬浮在太空中，其中就有暗物质释放的超级力量的支撑。

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了。

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。暗物质不发光，不发出电磁波，所以从来没有被直接“看”到过。

虽然当时多数人并不认同茨威基的观点。可后来的宇宙观测结果不断验证该观点的可信性。后来全世界科学家基本达成共识：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表示，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。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。这也是暗物质的神秘所在。毕效军认为，暗物质应该也来自于宇宙大爆炸。

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。这正是我们发射“悟空”暗物质探测器上天探索的动因。

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。

暗物质具有隐身性，就像作为能量存在的紫外光，我们的肉眼看不见。暗物质粒子必须在相互作用时，我们才可能观察到它们。遗憾的是，科学家还不知道它们具体的相互作用是什么样的形式。如果能够测量到这种相互作用，人类就有望成功地探测到暗物质。

有人不明白，对这种看不见摸不着的东西，有必要大费周章地进行探索研究吗？科学家的回答当然是肯定的。原因很简单，支撑人类文明进步的自然科学发展遇到了无法逾越的瓶颈。简单说，现代物理学取得了巨大的成就，绝大部分的现象可以在粒子物理标准模型的框架中得到满意的解释。但暗物质却不适用，这让物理学的天空悬着一朵“乌云”，而物理学却是现代科学最重要的支撑。

对暗物质的研究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，与探索宇宙起源及演化的奥秘是息息相关的，同时它也是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，具有里程碑式的重要意义。

我国“悟空”暗物质探测器，使中国科学家第一次跃身世界自然科学研究的前沿，与学界巨子探讨交流。它是载入中国科学发展史的一件大事。