探索暗物质
讲述者：六安路小学中铁国际城校区 瞿文龙
给每个孩子生生不息的力量！大家好，我是六安路小学中铁国际城校区的瞿老师，今天我要为大家分享的是探索暗物质。
从20世纪30年代⾄今，科学界从未停⽌对暗物质的探索。那么，什么是暗物质？找到它难在哪⾥？探索它⼜有何意义？2015年12⽉17⽇，由中国科学院总体研发的我国⾸颗暗物质粒⼦探测卫星“悟空”发射升空，它的⼀个使命就是寻找暗物质存在的证据。
⼀般情况下，凭借⾁眼或借助⼯具就能看到普通物质，但暗物质是个例外。
暗物质最早是天⽂学家观测宇宙时“发现”的。20世纪30年代，瑞⼠天⽂学家茨威基研究发现：在星系团中，看得⻅的星系占总质量的1/300以下，⽽99%以上的质量是看不⻅的。这⼀结论意味着星系团中有某种神秘物质被⼈忽略。
在当时，多数⼈并不认同茨威基的观点。不过，后来的宇宙观测结果越来越验证这⼀观点的可信性。因为按照万有引⼒原理，物体围绕中⼼旋转，越往外转动速度越低。但20世纪70年代，科学家在观测宇宙⼀些星系中的恒星运⾏速度时发现，往外看，围绕中⼼的速度并不都是衰减下去，有些和内圈恒星的速度差不多。理论上讲，越往外，物质越少，引⼒也越⼩，速度也应该越低。科学家由此推测：外圈的那些能被直接观测到的、数出来的星星数⽬变少了，但其实内部的物质数量并没有减少，引⼒也没有变⼩，只不过没被观测到⽽已。这些天⽂观测直接看不到的物质被称为暗物质。
“虽然我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质，但我们却发现了由于这种物质的引⼒作⽤对于其他可⻅的物质运动的影响，这是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”中科院⾼能物理所研究员毕效军说。
暗物质的物理组成到底是什么？毕效军说，通常认为暗物质是⼀种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作⽤的全新粒⼦。与通常物质⼀样，暗物质也有引⼒作⽤。根据引⼒效应，天⽂学家估算，宇宙由27%的暗物质，68%的暗能量和5%的普通物质组成。这些看不⻅的“⼤多数”就像披上了隐身⾐⼀样，使得⻓期以来在宇宙中占⽐最多的东⻄反⽽是⼈类最迟也是最难了解的，⾄今仅知道它们存在，还不清楚它们的性质。
暗物质如何产⽣？毕效军认为，和普通物质⼀样，暗物质应该也来⾃于宇宙⼤爆炸。在宇宙早期某⼀个时刻，宇宙温度⾮常⾼，粒⼦能量⾮常强，它们剧烈碰撞，在这种相互作⽤下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产⽣。
为了解暗物质这种存在于宇宙的隐身神秘“居⺠”，科学家做出了⼀些基于假设的理论模型，但物理学界渴望有实验研究的结果，特别是直接探测的结果，对这些理论模型进⾏验证。
中科院⾼能物理所研究员张新⺠介绍，国际科学界研究最多也最被粒⼦物理学家看好的暗物质模型是“弱作⽤重粒⼦”，主要因为这种粒⼦与普通物质有弱相互作⽤，所以具有可探测性。相⽐之下，其他暗物质模型，由于与普通物质的相互作⽤更弱，在现有的实验⽔平下探测到的可能性更⼩
暗物质难以探测，除了不发光外，还在于它的速度快，难以捕捉。科学家测算，暗物质粒⼦每秒的运动速度为220千⽶，是56式半⾃动步枪⼦弹出膛速度的300倍。⽽且它们穿过⼈体时，不会留下任何痕迹，⼈完全没有感觉。
“暗物质粒⼦必须有相互作⽤我们才能‘看’得到它，但是现在具体是什么样形式的相互作⽤，我们是不知道的。”毕效军认为，如果能够测量到这种相互作⽤，就有望成功地探测到暗物质。
暗物质粒⼦探测卫星科学应⽤系统副总设计师范⼀中说，⽬前，暗物质粒⼦存在的证据都是通过引⼒相互作⽤发现的，实验中还没有确定的暗物质信号被探测到。国际上对暗物质的探测⽅式主要分为3类。第⼀类是加速器探测，这⽅⾯主要的探测设备是欧洲核⼦中⼼的⼤型强⼦对撞机；第⼆类是在地下进⾏的直接探测，中国在四川锦屏⼭地下实验室中正在开展相关实验；第三类是间接探测，主要是在空间进⾏，因为物理学家们认为暗物质粒⼦的湮灭或衰变会形成各种正粒⼦、反粒⼦对，这些粒⼦对在太空中传播就成了宇宙中宇宙射线和伽⻢射线的⼀部分。我国发射的“悟空”就是采⽤这种探测⽅式，收集⾼能宇宙线粒⼦和伽⻢射线光⼦，通过其能谱、空间分布分析来寻找暗物质粒⼦存在的证据。
现在，国际上⼀项瞩⽬的⼯作是将强磁场和精密探测器送到太空，阿尔法磁谱仪是⼈类进⼊宇宙空间的第⼀个⼤型磁谱仪。2013年美籍华⼈物理学家、诺⻉尔奖获得者丁肇中领导的研究团队宣布，阿尔法磁谱仪发现了“弱作⽤重粒⼦”存在的证据，⽽“弱作⽤重粒⼦”就是⼀种暗物质的候选体，这意味着⼈类向认识暗物质⽅向前进了重要⼀步。2014年9⽉，丁肇中团队和东南⼤学发布合作研究成果表示，暗物质存在实验的6个有关特征中，已有5个得到
确认，进⼀步显示宇宙射线中过量的正电⼦可能来⾃暗物质。
国际科技界认为，未来10到20年将是暗物质探测的⻩⾦时代。
责编：张文哲
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