神之浩劫美杜莎:什么是暗物质？

在宇宙中是否还存在不发光物质、不发光的天体？这似乎是不成问题的问题。例如，在太阳的周围有9大行星，有月亮这类的卫星。这些行星或卫星自身并不发光，它们仅能反射光。其实，所谓发光物质只不过是这种暂时不发光的物质处在高温、高压环境的状态而已。所以，在宇宙中是否存在不发光物质的问题，似乎是这些会发光物质所存在的状态的问题，问题是它们在宇宙中所占有的比重如何？如果把宇宙中存在于不发光状态的常见物质，如质子、中子、电子等占发光状态的比重问题，仅仅归结为在其他星系中是否存在着行星、卫星等，那还不是十分重要的问题。因为9大行星加上可能的彗星，其总质量还不到太阳的1％，更为重要的是处在不发光状态的常见物质，是否在总质量上比发光的星体多一个量级，还是他们只占微不足道的分量，或是彼此差不多，如此等等。因为这涉及天体或星系团演化的基本规律。而更为重要的问题是，宇宙中是否除质子、中子、电子等"会"发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说，它们自身不仅不能发光，而且也不会反射、折射或散射光，亦即对各种波长的光，它们都是百分之百的透明体！它们就是神秘的暗物质。

许多宇宙论学家认为，宇宙中会有占90％以上暗物质的存在。如果宇宙中存在着那种原则上不能发光的非常见物质的暗物质，那么，宇宙中包含的暗物质的多少，就决定了或至少是影响了宇宙是封闭宇宙还是开放宇宙。所谓封闭式的宇宙，就是指现今的宇宙膨胀达到相当长的一个时间后（例如800亿年），会由于万有引力使宇宙由膨胀而收缩，这又称为振荡式的宇宙；如果宇宙膨胀速度超过万有引力所引起的阻力，而无限地膨胀下去，这就称为开放式宇宙。可见暗物质对宇宙的影响是非常大的。那么，到底有没有暗物质呢？

尽管暴胀宇宙论对暗物质问题提出了非常有趣的假说，但从天文观测的角度说，这一可能存在有暗物质的假说，只不过是理论学家们的推测，在天文观测上并没有给出坚实的基础。但是，近来，在10米的天文望远镜上进一步观测远河外星云，测出其中的氘核和氢核的丰度的比值比过去所知的数值约大了一倍以上。从这一数值中已经可以确定在星系四周的"晕"中，必定有非常见物质形态形成的暗物质！这是和暴胀宇宙论假定无关的，而仅由天文观测值所直接得出的结论。就是说，宇宙中存在着暗物质，已是确凿无疑的事情。

暗物质存在与否，虽然已经得到初步证实。但暗物质将由什么样的物质所形成？它们是什么样的粒子或是场，或是二者的统一，仍然需要进一步的研究。宇宙论的理论认为，暗物质可能有两种形态，一种称为热暗物质，即在宇宙形成物质世界时期，暗物质的候选者仍然保持其相对论性粒子状态；另一种称为冷暗物质，即在宇宙形成物质世界时期，暗物质的候选者已经是非相对论性的粒子。这两者将在宇宙演化过程中起着不同的作用，但都不能没有。如何探索、寻找和研究已被天文观测所证实的暗物质？这是21世纪科学的又一难题。

宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。建立在广义相对论和宇

宙学原理（即在宇宙大尺度上，物质的分布是高度均匀各向同性的）之上的大

爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个

极致密、极高温的状态，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、

冷却演化至今。在这个过程中，宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和

中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期，星系、地球、空气、

水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。

二十世纪二十年代，天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中

所有的星系都在彼此远离退行，距离越远，退行速度越大，二者成正比，

这个比例系数被称为哈勃常数，这个规律叫哈勃定律。在此基础上，产生"膨

胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世纪大量的天文观测和天体物理研

究结果都证实这个模型。

去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文

观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。这在

人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的

结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量,

SDSS 也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、

桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，

目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递

相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其

中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。

什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。比如，对于

一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在

的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。

可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天

文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子

是一种暗物质粒子，但WMAP和SDSS的结果说明，它的质量应当非常小，在暗物

质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟

是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，它们可能是超对称理论中的最轻的

超对称粒子，是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。

目前世界各国科学家，例如中意科学家合作组DAMA实验，丁肇中先生领导的

AMS实验，正在进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到这种暗物质粒子。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据

有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀，星系

膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断加速。按照爱因

斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。

另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密

度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以

仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇

宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占

总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，

压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。然而

现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪

物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。

众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个基本合理的解释。科学

家正在计划发射新的探测卫星，对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的

观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定暗能量的形式和物理特征，不同

的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论，

这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作

用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。

综上所述，研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理

与描述宇观世界的宇宙学结合起来。这一极大与极小的联系是21世纪物理学和

天文学研究的一个新特点。

简单的说，暗物质的速度大于光速，所以看不见。

不与光发生任何作用的物质