暗物质和暗能量：21世纪初物理学天空的两朵乌云

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科技日报记者 陆成宽
“像20世纪初一样，21世纪初的物理学天空也存在两朵乌云，它们是暗物质和暗能量。”
10月31日，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长陈和生在2019年国际暗物质日北京地区活动上如此感慨。

活动现场照片。
1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出了物质间的万有引力定律。200多年后，爱因斯坦于1916年发表了广义相对论，把牛顿的引力理论推广到适用高速运动的物体。牛顿和爱因斯坦的引力理论一直被人们奉为圭臬。
“然而，上世纪20年代起，越来越多的天文观测表明，在星系到宇宙的尺度存在一些与牛顿和爱因斯坦的引力理论不一致的现象。”陈和生说道。
天文学家观测到旋涡星系的旋转曲线并没有按引力理论预言的那样，在星系的发光区域以外迅速下降，而是平缓的延伸。在银河系所有的星球都绕银心转动，根据牛顿的万有引力，太阳转动的速度和银河系的质量以及太阳离银心的距离直接相关，可以推出太阳的转动速度为170千米/秒，但是实际测量的结果却是220千米/秒-250千米/秒。
究竟是什么致使引力理论失灵了呢？宇宙中还存在我们不知道的神秘魅影？为了解释这种现象，科学家推断旋涡星系里必定有我们看不见的暗物质。
还有很多其他的天文观测证据也表明有暗物质存在。宇宙微波背景辐射观测实验的结果给出了暗物质在宇宙物质总量的比例。在宇宙中，普通物质只占4.9%，暗物质占到26.8%，暗能量占到68.3%。

“这个结果是相当惊人的。粒子物理的基本理论‘标准模型‘正确地解释了几乎所有的实验现象，20世纪60年代以来，获得了18次诺贝尔物理学奖。但这个成功的理论只能解释宇宙中不到5%的物质，而对剩下的95%一无所知，我们成了井底之蛙。”陈和生说。
那么，我们一无所知的暗物质到底是什么？
物理学家还不知道。他们猜测，暗物质是一种具有弱相互作用的重粒子，它比氢原子要重几百倍甚至几千倍。
对于这种既看不见也摸不着的暗物质，科学家们正在努力寻找它们。
“暗物质寻找是近三十年国际粒子物理实验的热点之一，主要通过三类实验来寻找暗物质粒子。”陈和生说。
第一种类实验是“对撞”。在超高能对撞机上产生暗物质候选粒子，在欧洲的大型强子对撞机上有很多科学家从事这样的工作，其中包括很多来自中国科研院所和高校的科学家。
“对撞”只是一种寻找暗物质的方法，科学家还在“上天”“入地”寻找暗物质。

“悟空”号卫星
所谓“上天”，就是在外层空间间接探测暗物质，暗物质粒子可能会湮灭，产生普通物质对，如正负电子对。可以通过测量宇宙线正电子来寻找暗物质，比如华人诺奖获得者丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪实验；也可以通过测量宇宙线电子加正电子来寻找暗物质，比如我国的“悟空”卫星实验。
而“入地”寻找暗物质，则是通过深地实验直接探测暗物质粒子。暗物质粒子可能与普通物质发生概率极微小的碰撞，并把原来静止的原子撞得“飞起来”。撞“飞起来”的原子就可以被观察到了，这就是直接探测。陈和生把这种探测方法比作“守株待兔”，暗物质粒子是兔子，普通物质的原子就是株。
实际上，即便这三类实验之一发现了暗物质的候选粒子，确认它就是宇宙中的暗物质也是一项极为艰巨的任务。陈和生强调，三种实验或至少两种，必须相互验证，才能确认这种粒子的存在，这需要理论和实验物理学家以及天文学家密切合作，共同努力。
来源：科技日报 活动照片由本文作者提供 其他图片均来自网络
编辑：陈可轩（实习）
审核：管晶晶