國際暗物質日

科技 10-31

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10月31日，國際暗物質日

10月31日是國際暗物質日，高能物理國際互聯合作組織會在全球範圍內開展大型科普活動。而我們牧夫自然也不甘人後，小編在此為大家簡單科普一下暗物質。

宇宙的大尺度結構

暗物質（Dark Matter），顧名思義，是一種看不見摸不到的物質。它是一種與我們所熟知的重子、光子等組成的物質不同的物質。它不參與電磁相互作用，因此無法利用光學方法直接觀測。根據其運動速度分類，暗物質可分為熱暗物質、溫暗物質和冷暗物質。熱暗物質指的是達到相對論速度的那些暗物質。一般說的暗物質，指的是冷暗物質。

冷暗物質的存在有幾個觀測證據，其中最主要的一個就是星系旋轉曲線觀測，即發現了星系旋轉曲線，和開普勒第三定律，或者說和牛頓萬有引力所預言的不一致。1978年，著名女天文學家魯賓發表了重要的論文，發表了她研究過的10個星系中的7個的旋轉速率。如果可見物質是唯一的物質的話，這個曲線將向右側急轉直下。然而，扁平的曲線暗示著如果我們對引力的理解是正確的，星系中一定有看不見的物質存在。

而另一個重要的觀測證據則是子彈星系。在星系的旋轉曲線的觀測成果剛出來的時候，曾經有一群科學家試圖修正牛頓引力（MOND）以解釋這種反常的現象，然而子彈星系的觀測給MOND理論頭上潑了盆冷水。當然，現在MOND理論又以另一種方式復活了，限於篇幅在此暫時不提。

暗物質存在的觀測證據，與魯賓的論文中的曲線類似

按照宇宙大爆炸模型，如果沒有暗物質，那麼星系會形成得很慢。因為暗物質相當於給星系提供一個支架，即暗物質暈，沒有支架怎麼蓋房子？按照大爆炸模型，重子脫耦是在宇宙大爆炸38萬年知乎，這個時間太晚了，如果只有重子物質的話，那麼現在星系還沒形成呢，也不會有我們的地球，更不會有人類了。

那麼，假設暗物質參與的短程力相互作用的強度和弱相互作用很類似，或者乾脆就是弱相互作用，而且暗物質粒子的質量大約是100GeV到1TeV的話，那麼恰好和現在普朗克衛星的數據一致。這就是常說的WIMP模型。因此，科學家們就從這一點出發，來設計實驗探測暗物質。

暗物質探測的三種方法分別是加速器、直接探測和間接探測。間接探測指的是，在空間中通過探測暗物質粒子衰變或湮滅產生的穩定粒子來尋找和研究暗物質粒子。我們周圍到處都有暗物質，因此也能做直接探測。而地下實驗室是開展粒子物理學、天體物理學及宇宙學等領域一些重大基礎性前沿課題的重要研究場所，在四川錦屏山下，清華大學和上海交通大學等研究機構的學者和工程師們正在努力探索暗物質的秘密。

如果暗物質能看到

而對撞機探測則是，讓已知的粒子對撞，如果真撞出來和暗物質的模型所預言的一樣的信號，那就認為是探測到暗物質了。不過對撞機現在主要的任務還是尋找超對稱粒子。

提到暗物質，很多讀者可能還會想到暗能量。事實上，雖然暗物質和暗能量的名字很像，但是它們兩者之間並沒有明確的聯繫，甚至可以算兩個研究方向。不過，無論是暗物質還是暗能量，都是我們這個時代的物理「烏雲」，也需要更多的青年學著投身其中。正如著名物理學家郝建綱先生所說：「15世紀的地理大發現早已成為歷史，再也沒有第二個地球供人們去進行大發現。現在，歷史的機遇再次擺到了我們面前，難道我們還能期待另外一個宇宙供我們去發現嗎？有志於科學事業的青年，加入到宇宙學研究隊伍中去，讓我們一起擁抱宇宙吧！」