暗物质是什么？

神秘的暗物质

从字面上理解，那些黑暗、不发光的物质都可以叫暗物质。在历史上，有很多这样的“暗物质”。

1844年，德国天文学家贝塞尔观察天狼星的运动时，发现它的轨迹呈波浪形。他猜想，可能有一颗看不见的星星与天狼星组成双星系统。这颗看不见的星星在当时可以被视为那个时代的“暗物质”。后来，随着望远镜观测能力的提升，人们发现了一颗叫天狼 B的白矮星，它是天狼星的伴星。另一个例子是海王星的发现。当时人们发现天王星的轨道有些异常，英国的亚当斯和法国的勒威耶提出在天王星轨道外还有一颗大行星。后来，人们将望远镜对准预测的天区，发现了海王星。

这些曾被认为是暗物质的天体，在观测手段改进后，被证实是一些表现暗弱的普通天体。但是现在科学家发现，宇宙里确实存在一种真正的暗物质。暗物质的证据来自对星体运动的测量。在太阳系中，行星绕太阳运转的速度随着距离的增加而减小，这完全符合开普勒定律。然而，当我们观察像M33这样的星系时，发现越往外的天体绕星系中心转动的速度反而越快。这与理论预测完全不同。为了解释这种现象，科学家推测在那些黑暗、不发光的区域存在暗物质。这就是现代意义上通过天文学观测间接发现的宇宙中的暗物质。

有人可能会问，如果我们的观测能力提高，这些暗物质是否也会变成明物质？科学家也在思考这个问题。但是经过大量研究发现，这些暗物质的物理性质与普通物质完全不同：即使用更大的望远镜、更精确的观测设备，也无法直接“看到”暗物质。这就是暗物质神秘的地方。

宇宙的标准模型

基于大量的天文学观测，科学家建立了宇宙的标准模型。根据这个模型，宇宙始于约137亿年前的一次大爆炸，目前宇宙还在膨胀。宇宙的成分是这样的：普通物质约占5%，暗物质约占25%，还有约70% 是性质更为奇特的暗能量。

换句话说，人类过去几千年的探索实际上只触及了宇宙约5%的内容，剩下约95%的宇宙对我们来说还是完全未知的。科学家通过计算机模拟给出的宇宙中暗物质的分布图像，虽然不一定绝对准确，但它展示了我们目前对暗物质分布的理解。

无处不在，却难以捕捉

既然宇宙中有这么多暗物质，为什么我们在日常生活中感受不到呢？这是因为暗物质的分布非常稀疏。如果我们把整个地球这么大体积里的暗物质加起来，总质量只有约0.5千克。因此我们在日常生活中感受不到暗物质的存在。但是，如果我们把视野放大到银河系，情况就不同了。银河系中的暗物质质量是恒星和气体物质总质量的10倍左右。

虽然密度很低，但这些暗物质粒子都在快速运动，速度大约是每秒数百千米，与太阳系在银河系中的速度相当。据估算，每秒钟约有1 亿个暗物质粒子穿过我们的身体。不过不用担心，因为暗物质粒子几乎不与普通物质发生相互作用，我们感受不到它们的存在。

暗物质的本质

那么，暗物质到底是什么？这是目前科学研究最关心的问题之一。根据我们对物质世界的认识，普通物质是由基本粒子构成的。原子由原子核和电子构成，原子核又由质子和中子构成，质子和中子还可以分解成夸克。目前，夸克是我们所知的最基本的物质层次。然而，在已知的粒子中，没有一种可以合理地解释观察到的暗物质的性质。因此，科学家猜测暗物质很可能是一种全新的、我们目前完全不了解的粒子。

三种探测方法

为了探测暗物质，科学家采用了三种方法。

地下直接探测实验是各国科技竞争的前沿阵地。全世界有很多这样的实验正在进行。我国在四川西昌锦屏山隧道下创建了两个直接探测实验：清华大学牵头的“盘古”实验和上海交通大学牵头的“熊猫”实验。这两个实验的灵敏度已经达到了世界先进水平。

在间接探测方面，我国于2015年发射了暗物质粒子探测卫星“悟空”号。2021年7月，四川稻城的高海拔宇宙线观测站（“拉索”）建成，该观测站也可以用来间接探测暗物质。

此外，由诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授领导的阿尔法磁谱仪实验，也在国际空间站上进行暗物质探测。在空间站的宇宙线实验中，科学家观察到了一些反常现象。例如，阿尔法磁谱仪和“悟空”号卫星都测量到了一些目前难以解释的数据。有些科学家提出用暗物质来解释这些数据，但也有人持不同意见，认为可能有其他解释。

遗憾的是，尽管科学家进行了几十年的探索，暗物质探测的进展仍然较迟缓。在地下直接探测实验和粒子对撞机实验中，还没有看到暗物质存在的明确迹象。

这些结果表明，暗物质的探测是一项极具挑战性的工作。为了取得突破，我们需要继续改进观测设备和实验技术。

探测暗物质，中国有重器

近年来，随着经济的发展，我国有机会建造一些世界级的天文设备。其中，贵州平塘的500米口径球面射电望远镜（FAST）是世界上最大的单口径射电望远镜。此外，河北兴隆的郭守敬望远镜、青海德令哈的毫米波望远镜、四川稻城的高海拔宇宙线观测站、云南丽江和青海冷湖的光学天文观测设施，以及部署在南极冰穹上的望远镜等，这些设备为我们探索宇宙提供了强大主力。

在空间天文方面，我国也取得了长足进展。从20 世纪70年代的高空气球实验，到20世纪90年代开始的载人航天工程，再到2000年以来的嫦娥探月工程，我国的空间天文发展进入了快车道。2015年“悟空”号卫星发射后，我国又陆续发射了“慧眼”卫星、“极目”卫星、“先进天基太阳天文台”卫星等。2024年，我国还发射了爱因斯坦探针卫星和中法合作的 SVOM卫星。未来，有望在我国空间站上建设大型的巡天望远镜。

中国锦屏地下实验室（CJPL）

若是在地上开展暗物质探测实验，探测器接收到的信号会淹没在宇宙射线的信号中，研究人员无法分辨。

中国锦屏地下实验室是目前世界上岩石覆盖最深的深地实验室，对宇宙线μ子具有良好的屏蔽作用，具有极低的宇宙线通量，因此适用于开展对稀有物理事件的探测实验。

中国锦屏地下实验室垂直岩石覆盖厚度达到 2400米，为世界最深，而且可以开车直接进入，交通便捷，综合条件可谓世界一流。

深地实验室的低宇宙线强度和低辐射本底等特性有利于暗物质探测。

暗物质是冷的还是热的？

科学家将暗物质分为冷暗物质、温暗物质和热暗物质。暗物质还有温度？其实，这里的冷、温和热，描述的是暗物质粒子在早期宇宙中的运动速度，而非真实温度。科学家可以利用模型模拟出不同类型暗物质作用下宇宙物质的分布，从而推断暗物质的“冷热”。

现象、规律和理论

让我们来看看科学研究一般遵循的三个步骤：发现现象、总结规律、提出理论。

例如，第谷通过大量的天体观测积累了丰富的数据。他的学生开普勒在这些数据的基础上，提出了行星运动三定律。后来，牛顿提出万有引力理论，解释了为什么行星会按照开普勒定律运动。

另一个例子是宇宙学中的红移现象。科学家发现，遥远天体发出的光谱线普遍向红端移动，这就是红移现象。美国天文学家哈勃在此基础上提出了哈勃定律，指出越远的天体退行速度越快。后来，美国宇宙学家伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理论，解释了为什么会出现哈勃定律描述的现象。

暗物质研究可能也会遵循类似的路径。我们已经观察到了许多天体系统中的引力异常现象，并总结出了一些规律。现在，我们可能正在进行第二步。至于第三步，我们能否提出新的理论来解释暗物质的本质，还有待探索。

暗物质问题是当前最重大的科学问题之一。对其本质的认识必将带来新一轮的科学革命。然而，尽管暗物质的发现已有近百年历史，但从实验上探测暗物质仍是一项极具挑战的任务。这可能需要再花费一百年，甚至更长的时间，需要几代人的艰苦努力，才有可能最终揭开暗物质的神秘面纱。