“像 20 世紀初一樣，21 世紀初的物理學(xué)天空也存在兩朵烏云，它們是暗物質(zhì)和暗能量。”近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院高能物理研究所原所長(cháng)陳和生在 2019 年國際暗物質(zhì)日北京地區活動(dòng)上如此感慨。

　　出現與引力理論不一致現象

　　1687 年，牛頓在《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》中提出了物質(zhì)間的萬(wàn)有引力定律。200 多年后，愛(ài)因斯坦于 1916 年發(fā)表了廣義相對論，把牛頓的引力理論推廣到適用高速運動(dòng)的物體。牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論一直被人們奉為圭臬。

　　“然而，上世紀 20 年代起，越來(lái)越多的天文觀(guān)測表明，在星系到宇宙的尺度存在一些與牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論不一致的現象。”陳和生說(shuō)道。

　　天文學(xué)家觀(guān)測發(fā)現，旋渦星系的旋轉曲線(xiàn)并沒(méi)有按引力理論預言的那樣，在星系的發(fā)光區域以外迅速下降，而是平緩地延伸。在銀河系所有的星球都繞銀心轉動(dòng)，根據牛頓的萬(wàn)有引力，太陽(yáng)轉動(dòng)的速度和銀河系的質(zhì)量以及太陽(yáng)離銀心的距離直接相關(guān)，可以推出太陽(yáng)的轉動(dòng)速度為每秒 170 千米，但是實(shí)際測量的結果卻是每秒 220 千米—250 千米。

　　究竟是什么致使引力理論失靈了呢?宇宙中還存在我們不知道的神秘魅影?

　　對宇宙中 95% 物質(zhì)一無(wú)所知

　　為了解釋這種現象，科學(xué)家推斷旋渦星系里必定有我們看不見(jiàn)的暗物質(zhì)。還有很多其他的天文觀(guān)測證據也表明有暗物質(zhì)存在。宇宙微波背景輻射觀(guān)測實(shí)驗的結果給出了暗物質(zhì)在宇宙物質(zhì)總量的比例。在宇宙中，普通物質(zhì)只占 4.9%，暗物質(zhì)占到 26.8%，暗能量占到 68.3%。

　　“這個(gè)結果是相當驚人的。粒子物理的基本理論‘標準模型’正確地解釋了幾乎所有的實(shí)驗現象，20 世紀 60 年代以來(lái)，與之相關(guān)的研究獲得了 18 次諾貝爾物理學(xué)獎。但這個(gè)成功的理論只能解釋宇宙中不到5% 的物質(zhì)，而對剩下的 95% 一無(wú)所知，我們成了井底之蛙。”陳和生說(shuō)。

　　那么，我們一無(wú)所知的暗物質(zhì)到底是什么?物理學(xué)家還不知道。他們猜測，暗物質(zhì)是一種具有弱相互作用的重粒子，它比氫原子要重幾百倍甚至幾千倍。

　　對于這種既看不見(jiàn)也摸不著(zhù)的暗物質(zhì)，科學(xué)家們正在努力尋找它們。“暗物質(zhì)尋找是近三十年國際粒子物理實(shí)驗的熱點(diǎn)之一，主要通過(guò)三類(lèi)實(shí)驗來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子。”陳和生告訴記者。

　　三類(lèi)實(shí)驗正在搜尋暗物質(zhì)粒子

　　第一種類(lèi)實(shí)驗是在超高能對撞機上產(chǎn)生暗物質(zhì)候選粒子，在歐洲的大型強子對撞機上有很多科學(xué)家從事這樣的工作，其中包括很多來(lái)自中國科研院所和高校的科學(xué)家。

　　“‘對撞’只是一種尋找暗物質(zhì)的方法，科學(xué)家還在‘上天’‘入地’尋找暗物質(zhì)。所謂‘上天’，就是在外層空間間接探測暗物質(zhì)，暗物質(zhì)粒子可能會(huì )湮滅，產(chǎn)生普通物質(zhì)對，如正負電子對?？梢酝ㄟ^(guò)測量宇宙線(xiàn)正電子來(lái)尋找暗物質(zhì)，比如華人諾獎獲得者丁肇中先生領(lǐng)導的阿爾法磁譜儀實(shí)驗;也可以通過(guò)測量宇宙線(xiàn)電子加正電子來(lái)尋找暗物質(zhì)，比如我國的‘悟空’衛星實(shí)驗。”陳和生說(shuō)道。

　　而“入地”尋找暗物質(zhì)，則是通過(guò)深地實(shí)驗直接探測暗物質(zhì)粒子。暗物質(zhì)粒子可能與普通物質(zhì)發(fā)生概率極微小的碰撞，并把原來(lái)靜止的原子撞得“飛起來(lái)”。撞“飛起來(lái)”的原子就可以被觀(guān)察到了，這就是直接探測。陳和生把這種探測方法比作“守株待兔”，暗物質(zhì)粒子是兔子，普通物質(zhì)的原子就是株。

　　實(shí)際上，即便這三類(lèi)實(shí)驗之一發(fā)現了暗物質(zhì)的候選粒子，確認它就是宇宙中的暗物質(zhì)也是一項極為艱巨的任務(wù)。陳和生強調，三種實(shí)驗或至少兩種，必須相互驗證，才能確認這種粒子的存在，這需要理論和實(shí)驗物理學(xué)家以及天文學(xué)家密切合作，共同努力。
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