成爲研究最前沿，暗物質與暗能量

視覺中國供圖

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和“熊貓計劃”的實驗室相似，意大利格朗薩索國家地下實驗室位於地下1400米深處，從1996年這裏就在研究暗物質。這是當前基礎物理研究最前沿的方向之一，突破性的重要進展將極大促進人類對物質世界的微觀結構以及宇宙演化的理解。國際上對暗物質及暗能量的研究都極爲重視,美國和歐洲多國都進行了詳細周密的規劃。“熊貓計劃”項目負責人、上海交通大學鴻文講席教授季向東博士說，國內已將暗物質和暗能量的研究納入了中長期規劃，很可能在不久的將來實現革命性的突破。在過去的幾年內,我國在暗物質直接探測方面實現了長足進步，探測結果的靈敏度達到世界先進水平。他還透露，在香山的一次科學會議上，科學家建議依託錦屏地下實驗室進行更大規模的暗物質直接探測實驗，並開展衛星暗物質間接探測實驗，同時建議在西藏阿里地區進行宇宙微波背景輻射觀測，並透過空間站和地面望遠鏡進行深空巡天觀測，從而實現對暗能量的深入研究。

神祕的暗物質，到底是什麼

普通物質是那些在一般情況下能用眼睛或藉助工具看得着的東西，即使藏身於最黑暗的角落，只要有光照總能發現它們。

誰最先發現了暗物質呢？20世紀30年代，瑞士天文學家茨威基發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。茨威基首先發現了暗物質的存在，大大推動了物理學的發展。但當時許多人並不相信茨威基的結果，因爲暗物質根本不與光發生作用，更不會發光，在天文上用光的手段絕對看不到暗物質。

萬物之間存在萬有引力，太陽系的九大行星圍繞太陽旋轉，越往外其轉動的速度越低，比如地球繞日速度是每秒30公里，高於火星，而火星的速度又高於位於它之外的木星，這是典型的中間有一顆大恆星的行星系表現。20世紀70年代初，科學家在觀測宇宙其他一些星系中的恆星執行速度時就發現，越往外，圍繞中心的速度並不都是衰減下去，而是和內圈恆星的速度差不多。這與越往外，物質越少，引力也越小，速度也應該越低的常規不符。由此反推，此時雖然外圈的那些能被直接觀測到、數出來的星星數目變少了，但其實內部的物質數量並沒有減少，引力也沒有變小，只不過觀測不到而已，科學家們大膽地猜測：宇宙中一定有某些物質沒有被我們的天文觀測所發現，這些物質就是“暗物質”。

UGC10214星系是天文學家們發現的一個典型例子，其中的物質不停地向它自己的外圍流出，但在其外圍卻看不到任何別的星系存在。據猜測，這個星系的旁邊存在着一種“暗星系”，這些物質流就是在暗星系引力的作用下才流出來的。

科學家認爲，透過測量物體圍繞星系轉動的速度，可以找到暗物質存在的證據。根據人造衛星執行的速度和高度，就可以測出地球的總質量。根據地球繞太陽執行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質量。同理，根據物體（星體或氣團）圍繞星系執行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系範圍內的總質量。計算的結果發現，星系的總質量遠大於星系中可見星體的質量總和，推算的結果：星系中的暗物質約佔宇宙物質總量的20%到30%。

暗物質的物理組成到底是什麼？科學家們早先推測它可能由一種不帶電的、質量很輕的、數目繁多的中微子構成，中微子的運動速度很快，可稱之熱暗物質；相對的，候選者還有可能是種質量大的、運動慢、引力大的冷暗物質粒子。天文學家後來在實際的觀測和計算當中發現，答案更傾向於後者。冷暗物質粒子很可能是宇宙早期遺留下來的穩定、只有弱作用的重粒子。

2003年7月28日，加拿大多倫多大學的天文學家成功測出了看不見的星系光暈。根據最新的天文學理論，這些星系由暗物質構成。多倫多大學的天文學家解釋稱，這些光暈的體積要比看得見的星系體積大5到8倍。

天文學家利用1億像素的數碼照相機和安裝在夏威夷島上的大功率天文望遠鏡，對150多萬個被附近12萬個星系的“引力透鏡”所扭曲的遙遠星系的形狀進行了研究。這一研究過程持續了兩年，然後又花了兩年時間對所獲取的數據進行處理。最後研究者指出，我們所在的星系——銀河系的光暈，其質量約爲太陽的8800億倍。

愛因斯坦假設，引出暗能量

天文學家認爲，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能嚴格說其是一種斥力，只能稱其爲能量。宇宙大爆炸時發生膨脹，產生的能量把物質往外排斥，暗能量斥力作用的發現，使學者們認識到，宇宙不光是在膨脹，而且還是在加速膨脹。

暗能量在宇宙中更像是一種背景，讓人根本感覺不到它的存在，但它確實存在，且起着非同一般的作用。有人把暗能量稱爲“真空能”。上世紀二三十年代，就有科學家認爲真空不空，只是物理的探測儀器探測不到，“真空”中並非真的什麼都沒有。

對暗能量理論上的猜測可追溯到愛因斯坦時代。1915年愛因斯坦提出了廣義相對論，這是自牛頓時代以來第一次出現的重力理論。1917年，愛因斯坦又將廣義相對論公式應用到整個宇宙，想看看能否獲得對宇宙本質的新認識，由此引出的暗能量理論。世界上的物理學家、數學家隨即開始解其中的引力方程，方程有兩種解，第一種解是：如果宇宙只存在引力，沒有別的力作用的話，出於相互吸引，宇宙不可能靜止；方程的另一種解是：宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個初速度，向外膨脹，但由於引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，所以宇宙不是膨脹就是收縮，不可能靜止。由此得出結論，宇宙不會完全靜止，宇宙沒有靜止點。

愛因斯坦覺得從哲學思想上分析，這兩種解都不合適，按他的想法宇宙應該是靜止的，不能永不停息的運動。因此，愛因斯坦又向廣義相對論引力方程中引入了一項“宇宙常數”。這個宇宙常數起排斥力的作用，有了該常數之後，引力方程同時具備了引力和斥力，正好能夠達到平衡，可讓宇宙“靜止”下來。

上世紀20年代，美國著名天文學家哈勃經過觀測發現，宇宙確實是在不斷膨脹。他根據星系的距離和執行速度證實，離我們越遠的星系向外運動的速度越快，這是宇宙正在膨脹的表現。這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相契合，迅速得到了世界上絕大多數科學家的認可。愛因斯坦本來是想把宇宙“靜止”下來，但實際的宇宙是在膨脹着，因此愛因斯坦不得不承認：“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！”

但愛因斯坦提出的“宇宙常數”並未被科學家們遺棄，一小部分科學家此後在將觀測結果與理論進行對比的時候，常常會把此常數捎帶上。如果計算結果顯示“宇宙常數”等於0，就證明該數確實不能用；反之，就證明愛因斯坦引入一個常數的思路是對的。

1997年哈勃太空望遠鏡拍攝到一顆超新星，美國馬里蘭州太空望遠鏡研究所和勞倫斯伯克利國家實驗室的天文學家透過對這顆超新星光線的相對強度進行的研究表明，它爆發於110億年前，是迄今發現的最遙遠的超新星，那時宇宙的“年紀”只有現在的四分之一，宇宙的膨脹很可能經歷了一個先減速、後加速的過程。科學家爲愛因斯坦的“暗能量”理論找到了第一個直接證據。

超新星即爆炸中的恆星，它發出的亮度是幾十億顆恆星亮度的總和。測定超新星的亮度，可以用來判斷宇宙膨脹的速率。在宇宙減速膨脹中誕生的星體，其發出的光到達地球時，該星體和地球之間的距離由於膨脹減速的原因要比預計的近，因而地球上的觀測者會發現其光要比預計中更亮。

經過大量的計算和分析，科學家們確認哈勃太空望遠鏡拍到的超新星亮度是預計正常亮度的兩倍，比距離更近、更年輕的超新星爆炸發出的光還要亮。科學家們據此判定，這顆超新星爆發於宇宙的減速膨脹階段。

科學家們指出，新發現和此前的觀測結論相結合，證實了宇宙膨脹先減速後加速，同時也證明宇宙中確實存在“暗能量”。

“暗能量”據認爲更接近能量，而非物質。科學家認爲，與暗物質一樣，“暗能量”構成了宇宙中不可見的一部分。科學家估計“暗能量”可能佔據了宇宙成分的三分之二，對它的瞭解對於理解時間、空間、物質和能量具有關鍵作用。

1998年，天文學家們在南極用80萬立方米氣球搭載微波探測器，在空中控測了宇宙微波背景下擾動的大量樣本。實驗氣球從1998年12月29日到1999年1月9日從37公里的高空飛越南極，發現宇宙微波背景是從各個方向襲擊地球的持續的電磁聲波。這些遙遠的聲音是大爆炸之後的遺留輻射。而此次探測的只是全天中的一小塊，因此科學家得出結論：“宇宙常數”不等於0，且在整個宇宙中所佔比例還很大。此後，“宇宙常數”正式被稱爲“暗能量”，這大概是愛因斯坦想不到的。

本報記者 蔡文清 J177