暗物質是什麼 為什麼要尋找暗物質

當我們仰望星空,其實只看到了宇宙的冰山一角,宇宙的絕大部分對人類來說是隱藏的。暗物質是什麼?暗物質,披著隱身衣的“宇宙幽靈”,科學家僅知道它們存在,卻無法探測到它們。中國科學衛星系列首發星——暗物質粒子探測衛星“悟空”在酒泉衛星發射基地成功發射,它的使命就是用“火眼金睛”去尋找暗物質粒子存在的證據。

“這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠鏡。”暗物質衛星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進說,“它有望深刻地變革人類的宇宙觀,實現空間科學重大突破。”

為什麼要尋找暗物質?

對常進來說,暗物質就像一個從未謀面的朋友,既親切又陌生。

“宇宙中,我們能看見的物質,都因為帶有電子而能‘發光’,我們能觸碰一張桌子、一面牆,感覺到它們的存在,是因為有電磁場的相互作用。而暗物 質是不帶電荷的,也沒有電磁場的相互作用,能像幽靈一樣穿透阻礙物,不著痕跡地從身邊飛走。”常進說,“因此儘管我們周圍存在暗物質,例如平均1立方厘米 的空氣中可能就有上千顆暗物質粒子,但我們並不能看到或感覺到。”

科學家們認為,暗物質是宇宙大爆炸的產物,在宇宙演化中起著決定性作用,也決定著宇宙未來的命運。同時,暗物質和暗能量的研究在基礎物理學中也有著重要意義,因為科學界公認的粒子物理標準模型僅能解釋佔宇宙4.9%的普通物質,卻無法解釋暗物質和暗能量。

因此,暗物質和暗能量被認為是籠罩在21世紀物理學上的兩朵“烏雲”。美國科學家在一份報告中列出21世紀要解答的11個科學問題,“什麼是暗物質”被列在第一位。

科學界公認,揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之後的又一次重大飛躍,將帶來物理學的又一次革命。

中科院國家空間科學中心主任吳季說,暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域,全世界的科學家都在不遺餘力地尋找暗物質、暗 能量及其隱藏的巨大科學寶藏。“可到目前為止,人們找到的還都只是一些疑似證據。”吳季說,“人類還沒有找到它,也不知道其質量、性質,不能用物理學標準 模型去解釋。”

暗物質距離人類生活如此遙遠,為什麼還要花這麼多時間、精力和成本去尋找?科學家們回答,這一方面源自人類對於未知的好奇心和求知慾,另一方面,科學研究的價值和意義雖然有時在短期內無法顯現,但往往能帶來一些“副產品”,給科技和生活帶來變革。

暗物質:尚未被找到的“宇宙主角”

暗物質有多火?就連熱門美劇《生活大爆炸》裡的主角“謝耳朵”都轉行研究暗物質了。暗物質是怎麼被發現的?20世紀30年代初,美國加州理工學 院的天體物理學家茲威基第一個發現,宇宙中可見物質遠遠不足以把宇宙連成一片,如果不是存在一種神秘而不可見的物質,星系早就分崩離析。科學家把這種看不 見的神秘物質稱為“暗物質”。到了20世紀70年代,多種天文觀測,比如盤星系的旋轉曲線、星系團X射線觀測、引力透鏡等都顯示了暗物質的存在。但直到現 在還沒有確定的暗物質訊號被探測到。

雖然科學家們還不知道暗物質究竟由什麼構成,但透過觀測它如何影響普通物質,並模擬它的引力效應,還是對它有了一些瞭解:

——宇宙中95%以上是暗物質和暗能量,暗物質佔26.8%。暗物質無法用任何光學或電磁觀測裝置直接“看”到。

——暗物質難以探測,還在於它密度小、速度快,難以捕捉。科學家測算,暗物質粒子每秒的運動速度為220千米,是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。

——暗物質應該來自於宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個時刻,宇宙溫度非常高,粒子能量非常強,它們劇烈碰撞,在這種相互作用下,包括暗物質在內的各種各樣的物質由此產生。

——宇宙的結構與暗物質有關。由於暗物質和它自己以及其他物質不發生除了引力以外的作用,它是促使宇宙膨脹時在自身引力下形成特定結構的首要物質型別。暗物質播下了宇宙絲狀結構的種子,隨後可見物質才聚集在一些由暗物質建立起來的引力點上,並最終形成了星系。

——暗物質對生命來說是絕不可少的。假如沒有暗物質的引力作用,我們所在的銀河系將永遠無法在宇宙大爆炸後的膨脹過程中坍縮形成。那樣的話,現在既沒有太陽,也沒有地球,更沒有你我……