“像20世紀(jì)初一樣，21世紀(jì)初的物理學(xué)天空也存在兩朵烏云，它們是暗物質(zhì)和暗能量。”近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所原所長(zhǎng)陳和生在2019年國(guó)際暗物質(zhì)日北京地區(qū)活動(dòng)上如此感慨。

出現(xiàn)與引力理論不一致現(xiàn)象

1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了物質(zhì)間的萬(wàn)有引力定律。200多年后，愛因斯坦于1916年發(fā)表了廣義相對(duì)論，把牛頓的引力理論推廣到適用高速運(yùn)動(dòng)的物體。牛頓和愛因斯坦的引力理論一直被人們奉為圭臬。

“然而，上世紀(jì)20年代起，越來(lái)越多的天文觀測(cè)表明，在星系到宇宙的尺度存在一些與牛頓和愛因斯坦的引力理論不一致的現(xiàn)象。”陳和生說(shuō)道。

天文學(xué)家觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，旋渦星系的旋轉(zhuǎn)曲線并沒(méi)有按引力理論預(yù)言的那樣，在星系的發(fā)光區(qū)域以外迅速下降，而是平緩地延伸。在銀河系所有的星球都繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力，太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和銀河系的質(zhì)量以及太陽(yáng)離銀心的距離直接相關(guān)，可以推出太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為每秒170千米，但是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果卻是每秒220千米—250千米。

究竟是什么致使引力理論失靈了呢?宇宙中還存在我們不知道的神秘魅影?

對(duì)宇宙中95%物質(zhì)一無(wú)所知

為了解釋這種現(xiàn)象，科學(xué)家推斷旋渦星系里必定有我們看不見的暗物質(zhì)。還有很多其他的天文觀測(cè)證據(jù)也表明有暗物質(zhì)存在。宇宙微波背景輻射觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果給出了暗物質(zhì)在宇宙物質(zhì)總量的比例。在宇宙中，普通物質(zhì)只占4.9%，暗物質(zhì)占到26.8%，暗能量占到68.3%。

“這個(gè)結(jié)果是相當(dāng)驚人的。粒子物理的基本理論‘標(biāo)準(zhǔn)模型’正確地解釋了幾乎所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，20世紀(jì)60年代以來(lái)，與之相關(guān)的研究獲得了18次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但這個(gè)成功的理論只能解釋宇宙中不到5%的物質(zhì)，而對(duì)剩下的95%一無(wú)所知，我們成了井底之蛙。”陳和生說(shuō)。

那么，我們一無(wú)所知的暗物質(zhì)到底是什么?物理學(xué)家還不知道。他們猜測(cè)，暗物質(zhì)是一種具有弱相互作用的重粒子，它比氫原子要重幾百倍甚至幾千倍。

對(duì)于這種既看不見也摸不著的暗物質(zhì)，科學(xué)家們正在努力尋找它們。“暗物質(zhì)尋找是近三十年國(guó)際粒子物理實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)之一，主要通過(guò)三類實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子。”陳和生告訴記者。

三類實(shí)驗(yàn)正在搜尋暗物質(zhì)粒子

第一種類實(shí)驗(yàn)是在超高能對(duì)撞機(jī)上產(chǎn)生暗物質(zhì)候選粒子，在歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上有很多科學(xué)家從事這樣的工作，其中包括很多來(lái)自中國(guó)科研院所和高校的科學(xué)家。

“‘對(duì)撞’只是一種尋找暗物質(zhì)的方法，科學(xué)家還在‘上天’‘入地’尋找暗物質(zhì)。所謂‘上天’，就是在外層空間間接探測(cè)暗物質(zhì)，暗物質(zhì)粒子可能會(huì)湮滅，產(chǎn)生普通物質(zhì)對(duì)，如正負(fù)電子對(duì)?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量宇宙線正電子來(lái)尋找暗物質(zhì)，比如華人諾獎(jiǎng)獲得者丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn);也可以通過(guò)測(cè)量宇宙線電子加正電子來(lái)尋找暗物質(zhì)，比如我國(guó)的‘悟空’衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)。”陳和生說(shuō)道。

而“入地”尋找暗物質(zhì)，則是通過(guò)深地實(shí)驗(yàn)直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子。暗物質(zhì)粒子可能與普通物質(zhì)發(fā)生概率極微小的碰撞，并把原來(lái)靜止的原子撞得“飛起來(lái)”。撞“飛起來(lái)”的原子就可以被觀察到了，這就是直接探測(cè)。陳和生把這種探測(cè)方法比作“守株待兔”，暗物質(zhì)粒子是兔子，普通物質(zhì)的原子就是株。

實(shí)際上，即便這三類實(shí)驗(yàn)之一發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的候選粒子，確認(rèn)它就是宇宙中的暗物質(zhì)也是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)。陳和生強(qiáng)調(diào)，三種實(shí)驗(yàn)或至少兩種，必須相互驗(yàn)證，才能確認(rèn)這種粒子的存在，這需要理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家以及天文學(xué)家密切合作，共同努力。(記者 陸成寬)