尋找缺失的宇宙：什麼是暗物質？

我們知道宇宙中有兩類天體：一類是像太陽那樣的發光的天體，在沒有光的環境中能被我們看到；另一類像月亮那樣，雖然不發光卻可以反射或吸收光，在有光照的環境中也能被我們看到。但是人們發現，還有一類很詭異的物質暗藏在宇宙中。它既不發光，也不和光發生吸收、反射或折射等作用，不僅在沒有光的黑暗中看不到它，在有光線的環境中也完全透明，同樣看不到它。這種不發光又絕對透明，在任何環境下都無法看到卻又有質量的物質，被稱為暗物質，即暗藏在宇宙中的物質。

當然，這裡說的「光」不僅僅是指可見光，而是包括幾乎所有波段的「光」；這裡說的「看」也不僅僅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的現代望遠鏡或探測器的觀察。因此，在暗物質的研究中，「暗」具有更為廣泛的含義。

「暗」的廣泛含義

「暗」的廣泛含義是什麼？更廣泛意義的「暗」是基於更廣泛意義的「光」。光是什麼？光實質上是電磁波。科學家通常依據波長把光（或稱電磁波）劃分為7個區段：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。圖1.1.1給出各種電磁波的波段及其相應波長。天文和宇宙科學藉助於各種電磁波天文望遠鏡實現了對宇宙中天體的觀測。今天的天文觀測幾乎涵蓋了所有波段的電磁波。但是，不同探測設備對各波段「光」的響應不同，看到的圖像也不同。圖1.1.2所示為藉助可見光與X光看到的世界和人，可見光只能看到表面，而X射線可以看到內部。同樣，我們藉助紅外光、紫外光和X射線分別看到了不同的宇宙。圖1.1.3所示為同一星系在不同波段（射電、紅外、可見光、紫外及X射線）下的圖像。

圖1.1.1 電磁波各波段的波長

圖1.1.2 用可見光與X光觀測到的世界和人

（a）可見光；（b）X光

圖1.1.3 同一星系在不同波段（射電、紅外、可見光、紫外及X射線）下的圖像

由物理規律可知：①任何物體的溫度都不可能低於熱力學溫標的零度（相當於攝氏-273℃，用K表示）；②任何高於熱力學溫標零度的物體都一定會有電磁波（或稱光波）輻射發出，只是輻射波長有所不同而已。這兩點告訴我們，宇宙中的任何物質都會有電磁波輻射。此外，物體還會與電磁波發生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我們能靈敏地測量到所有波段的輻射光，宇宙中的任何物質都逃不出我們的觀察。圖1.1.4（a）給出不同溫度的天體所發出的光波波長及其對應的亮度。圖1.1.4（b）給出不同天體所輻射電磁波的波長與其相應亮度。不難看出，塵埃、恆星及黑洞，無一不在我們所能觀察到的波長範圍內。可以說，不論是從表面發出的還是從星球內部發出的任何波段的「光」均逃不過人類的「火眼金睛」，人類已經可以全波段全方位地觀察整個宇宙。

然而不幸的是，詭異的暗物質既不發出任何波段的電磁波，也不和任何波段的光發生作用，它深深地隱藏在宇宙之中。暗物質是用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到的物質。構成暗物質的基礎粒子應該是暗物質粒子，大量暗物質聚集也可能形成暗物質天體。

圖1.1.4 天體的輻射波長和亮度

（a）不同溫度的天體輻射電磁波的波長及其亮度；

（b）不同天體輻射的電磁波波長及其相應的亮度

這裡要注意，首先，暗物質不是我們通常講的黑物質，普通黑物質因為能夠吸收可見光而呈黑色，並非與可見光不發生作用。有人將尋找暗物質比喻成「在各種彩色豆中尋找黑豆」是不夠恰當的。其次，暗物質也不是黑暗中的物質。我們看不到黑暗中的物質是因為沒有光線，只能說明暗物質是不發光的物質，而不證明是否與光發生作用。因此，把尋找暗物質比喻為「在暗室中尋找黑貓」也欠妥。應當說，暗物質是既不發射任何波段的光又對任何波段的光都是絕對透明的物質。某種意義上，暗物質類似於乾淨無瑕的普通玻璃，就像有時我們誤認為玻璃門還沒有安裝玻璃而碰了頭。（當然這僅僅是對可見光而言，普通玻璃強烈吸收紫外光，對紫外線就不透明了），我們尋找暗物質可以想像成在光線充足的明亮屋裡尋找不發光的絕對透明物體。

歷史上的「暗」物質事件

看不見的「暗」物質事件在20世紀就曾經發生過。19世紀末20世紀初，科學家在放射線的研究中發現微觀世界中能量的吸收和發射是不連續的。不僅原子的光譜是不連續的，從原子核中放出的射線也是不連續的。圖1.1.5（a）所示為金Au198原子核不連續的能級及其能級間的衰變。其放射出的射線的能量正好等於原子核不同能及間的能量差，即射線的能量是單一的，符合量子世界中能量守恆規律的。奇怪的是，在釋放出電子的β衰變過程中發現電子的能量並不單一，其能譜是連續的。電子所帶的能量只是能級差的一部分，還有一部分能量失蹤了（見圖1.1.5（b））。1930年，奧地利物理學家泡利依據能量守恆定律提出了一個假設，認為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種質量為零、不帶電、與光子不同的未知粒子發射出來，帶走了一部分能量，因此出現了能量「丟失」，即能量守恆定律依然是成立的。通過能量守恆我們感受到一種未知粒子的存在，但當時還沒有能力探測到它，便將它稱為看不到的「暗物質粒子」。後來通過實驗證實的確有這種粒子，並稱之為中微子。中微子與其他粒子不是不發生作用，只是相互作用極其微弱，一時難以探測到。中微子的實驗不僅看到了「未知的暗物質粒子」，同時還發現了當時還不了解的另一種相互作用，並稱之為「弱相互作用」。

圖1.1.5 金原子核放出的射線

（a）Au198原子核的不連續能級及其衰變；

（b） Au198β衰變過程中電子的連續能譜

另一個有趣的事件發生在從天王星之謎到海王星發現的整個過程中。圖1.1.6所示為圍繞太陽各行星的軌道示意。1820年，法國天文學家布瓦德依據當時的觀測資料和天體運動學原理在計算天王星的運動軌道時，出現了不可理解的問題，他算出的軌道與觀測值很不相符。後來的很多年裡，人們積累了更多的觀察數據，計算時又考慮了離天王星最近的土星和木星的影響，但理論值和觀測值仍然相差很遠。天王星的觀測位置與計算位置相差之大，已遠遠超出了觀測的誤差範圍。面對天王星運動之謎，人們一方面對依據牛頓力學的天體力學原理提出質疑，另一方面提出存在有看不到的「暗衛星」或「暗行星」的假設，並開始對各種假設和質疑進行求證。直到1845年前後，兩位年輕的天文學家——英國的亞當斯和法國的勒威耶基於逐漸逼近的方法，提出有可能在比天王星更遠的天區有我們還沒有看到的行星，並建議柏林天文台的加勒立即在該天區進行搜索。不幾天加勒就觀察到這顆發光很弱的行星，並將其命名為海王星。

圖1.1.6 圍繞太陽各行星及冥王星的軌道

今天，如果我們相信主宰天體運動的引力理論是正確的話，那假設存在有看不見的暗物質，就和當年沒有發現海王星的情景一樣了。

書名：尋找缺失的宇宙——暗物質

作者：李金, 著

出 版 社：清華大學出版社

定價：￥69.00

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