暗物質(zhì)之謎
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- 最后修訂：
- 2020-07-03 15:25:38
摘要：
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【簡介】
現(xiàn)代天文學(xué)觀測表明，宇宙中最主要的物質(zhì)組分是暗物質(zhì)，其占據(jù)了宇宙物質(zhì)總量的約85%，而我們所熟知的由質(zhì)子、中子、電子組成的普通物質(zhì)，只占15%。通過大量天文觀測，天文學(xué)家不僅已清晰給出了暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)，而且可以比較精準(zhǔn)地測量出暗物質(zhì)在宇宙空間中的分布。但對暗物質(zhì)究竟是什么，人們迄今了解非常有限。揭開暗物質(zhì)之謎，將是本世紀(jì)最偉大的一項科學(xué)發(fā)現(xiàn)。本次沙龍邀請國家天文臺SKA科學(xué)部主任秦波研究員和德國波恩大學(xué)博士后研究員陜歡源，在沙龍上介紹了暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的概念、發(fā)展歷史、研究進展，并對相關(guān)問題進行討論。
【主持人致辭】
汪克敏：歡迎大家的到來。現(xiàn)在天文學(xué)的觀測表明，宇宙中最主要的物質(zhì)組成是暗物質(zhì)，其占據(jù)了宇宙物質(zhì)總量的約85%，而我們所熟知的由質(zhì)子、中子、電子組成的普通物質(zhì)占15%。但暗物質(zhì)究竟是什么？如何揭開暗物質(zhì)之謎？是大家關(guān)心的熱點。下面請秦波研究員作主旨報告。
【主旨報告】
秦波：暗物質(zhì)之迷——世紀(jì)難題
一、引言
各位專家好！新觀測手段，打開全新窗口，對舊知識體系有顛覆性和革命性。今天的物理學(xué)正處于一場重大變革的前夜。一百多年前，物理學(xué)天空的“兩朵烏云”催生了相對論和量子力學(xué)。物理學(xué)經(jīng)過百年的輪回，又一次處在了一個十字路口。揭開“暗物質(zhì)、暗能量”之謎，將是人類認(rèn)識宇宙的又一次重大飛躍，可能導(dǎo)致一場新的物理學(xué)革命。中國應(yīng)抓住歷史機遇，在這場物理學(xué)的偉大變革中有所作為。
圖1 X射線天文學(xué)：星系團A2029（X射線vs 光學(xué)）
二、精確宇宙學(xué)
現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究，對宇宙的一些基本問題有了一些了解：
1.宇宙的幾何是平坦的還是彎曲的？非常平坦，誤差僅2%
2.宇宙是在不斷膨脹的：從任何一個觀測者看，星系都在向外飛去，其速度與這個星系與觀測者的距離成正比。這個比例系數(shù)就是描述宇宙膨脹的基本參量——哈勃常數(shù)
H0 = 70.1 ±1.3 km/s/Mpc
3.宇宙起源于一個致密熾熱的奇點的大爆炸，宇宙的年齡 137 ±1 億年
4.宇宙的基本組分（按照質(zhì)能關(guān)系折算）
暗物質(zhì)：占22%
暗能量：占74%
普通物質(zhì)：僅占4%
圖2 宇宙的基本組分
在慶祝宇宙學(xué)成就的同時，發(fā)現(xiàn)我們對宇宙的認(rèn)識竟然如此少！人類的現(xiàn)有知識僅描述了宇宙組分的4%，而對~96%的組分基本不了解。
三、探測暗物質(zhì)
今后十年、二十年的必然趨勢： 由天文觀測轉(zhuǎn)向物理探測（即暗物質(zhì)實驗）在實驗室（地下、地面、空間）捕捉和探測暗物質(zhì)粒子，是最終揭開暗物質(zhì)之謎的必由之路，自九十年代末以來，國際上暗物質(zhì)實驗已蓬勃展開。
圖3 三種探測暗物質(zhì)的方法
當(dāng)前物理學(xué)界探測暗物質(zhì)的方法主要有三種：
● 加速器物理方法：
· 利用對撞機產(chǎn)生暗物質(zhì)：歐洲核子中心的LHC（大型強子對撞機），通過實驗分析是否有暗物質(zhì)產(chǎn)生。
● 非加速器物理方法：
· 直接探測方法：測量暗物質(zhì)粒子與普通粒子之間極其罕見的散射事例。
· 間接探測方法：測量暗物質(zhì)粒子湮滅所產(chǎn)生的次級粒子。如 γ光子，正負(fù)電子e+ e-, 中微子。
圖4 全世界暗物質(zhì)地下實驗分布（暗物質(zhì)直接探測）
目前國際上已有大量暗物質(zhì)實驗在進行，基本上是非加速器實驗。相對于加速器實驗，非加速器實驗造價十分低廉。
我國暗物質(zhì)探測實驗的現(xiàn)狀：
■ 起步相當(dāng)晚，進步很大。
■ 利用得天獨厚的自然條件優(yōu)勢：中國錦屏隧道（當(dāng)今世界最得天獨厚的暗物質(zhì)地下實驗室）。
■ 前景廣闊（從跟隨到引領(lǐng)，暗物質(zhì)空間探測，中國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星---悟空的重要發(fā)現(xiàn)---1.4TeV附近的尖峰，暗物質(zhì)湮滅信號）。
圖5 中國錦屏隧道—— 當(dāng)今世界最得天獨厚的暗物質(zhì)地下實驗室
圖6 我國發(fā)射暗物質(zhì)探測試驗衛(wèi)星—“悟空”
謝謝大家！
【邀請報告】
陜歡源：引力透鏡---宇宙中的“照妖鏡”
各位專家上午好！暗物質(zhì)只參與引力相互作用，而不參與電磁相互作用，即不能發(fā)光，無法通過傳統(tǒng)天文觀測手段探測到，因此不依賴于天體“發(fā)光”的觀測手段就顯得尤其重要。根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，當(dāng)背景光源發(fā)出的光在引力場（包括重子物質(zhì)和暗物質(zhì)）附近經(jīng)過時，光線會像通過透鏡一樣發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡效應(yīng)。光線彎曲的程度主要取決于引力場的強弱。通過分析背景光源的扭曲，可以研究暗物質(zhì)主導(dǎo)的引力場性質(zhì)，從而一窺“黑暗”宇宙的真面目。
一、暗物質(zhì)問題提出及發(fā)展歷史
◇ 1933年，美國加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇（Fritz Zwicky）通過對后發(fā)座星系團的研究，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度較牛頓引力預(yù)測的速度要快，指出暗物質(zhì)存在。
圖7 Fritz Zwicky，1898 -1974
◇ 隨后幾十年的觀測事實，大尺度星系邊緣物質(zhì)運動速度不是減慢而是與中心可見物質(zhì)稠密區(qū)一樣快，證實了有大量看不見的物質(zhì)（暗物質(zhì)）存在，并且有力的作用。
圖8 預(yù)示暗物質(zhì)的存在 — 星系旋轉(zhuǎn)曲線
二、探測暗物質(zhì)的方法---引力透鏡
根據(jù)愛因斯坦的理論，質(zhì)量使得時空彎曲，光線沿著時空中最短路徑行進。因此恒星在天空中真實的位置與視線延伸有偏轉(zhuǎn)。這就是引力透鏡現(xiàn)象。1919年5月29日著名的愛丁頓團隊日全食觀測，驗證了愛因斯坦光線偏轉(zhuǎn)（太陽在明亮的畢星團前，使得恒星的位置偏離夜間觀測位置）。由于暗物質(zhì)雖然看不見，但是也有引力作用，因此這一觀測方法可以應(yīng)用到大尺度宇宙學(xué)，用來觀測引力透鏡現(xiàn)象的前景物質(zhì)，即大質(zhì)量天體（包括暗物質(zhì)）。
從20世紀(jì)70年代開始的引力透鏡觀測方法，目前已成為暗物質(zhì)研究最重要的工具之一。
圖9 引力透鏡
圖10 天文觀測發(fā)現(xiàn)的引力透鏡現(xiàn)象
【討論與交流】
主持人：感謝兩位博士的發(fā)言。咱們開始討論階段，可以自由發(fā)言提問。
鄒振隆：暗物質(zhì)有幾個參數(shù)可能是簡并的。你圖上的排除線，排除的是哪個參數(shù)？
秦波：縱坐標(biāo)是作用截面，橫坐標(biāo)是質(zhì)量。
鄒振隆：是理論上預(yù)言的？
秦波：實驗有獨立性，不管理論預(yù)言怎么樣，都可以繼續(xù)測。
鄒振隆：那就是不管質(zhì)量如何，主要約束截面了？
秦波：不是，是在不同的質(zhì)量段，而且很敏感，原因是我們實驗用靶粒子是超過一個截面的，原子核大概是100倍氫原子。暗物質(zhì)粒子打過來的時候?qū)性雍舜蝻w，它越重，信號越好，所以設(shè)計的時候，要用核比較重的惰性氣體。
鄒振隆：也是改善靶標(biāo)的性質(zhì)？
秦波：這就是清華他們賭的那個，所有的都是針對大質(zhì)量，比如說100倍的氫原子質(zhì)量，往上走的，所以設(shè)計在低質(zhì)量端是個缺陷，對低質(zhì)量的敏感，它可以做到最好，它押的是這個。
蔣世仰：太陽系里面的暗物質(zhì)，一定是比太陽質(zhì)量的1%還要少，說不定暗物質(zhì)非常稀有。
秦波：九大行星的開普勒運動速度曲線，說明太陽系里暗物質(zhì)的確非常稀有，但星系轉(zhuǎn)動速度曲線和星系團速度彌散分布表明暗物質(zhì)在大尺度上占主導(dǎo)。
蔣世仰：就是說知道是兩種不同的分布曲線，說不定反過來證明，在太陽系探測到暗物質(zhì)概率很低，會不會最后是浪費錢。
藍松竹：我有個問題，像星系，重子物質(zhì)分布大尺度上是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的，暗物質(zhì)會不會也是這樣分布？
秦波：沒錯，是這樣的。
藍松竹：是不是也是伴隨重子物質(zhì)一起分布的呢？
秦波：大尺度上是這樣的。
林元章：天文上的觀測比較肯定。我的問題，現(xiàn)在物理學(xué)界相信暗物質(zhì)存在的，有百分之多少？
秦波：全部。
林元章：那就是說相信天文學(xué)的結(jié)果。
秦波：當(dāng)然，必須相信，沒有選擇。
藍松竹：還有一個問題，現(xiàn)在是所謂21世紀(jì)的兩個幽靈，一個是暗質(zhì)量、一個是暗能量。那么它們二者之間有沒有物理學(xué)上的聯(lián)系？
秦波：這個理論家在做，比如說是不是有什么關(guān)聯(lián)，但目前一般的觀點，這兩件事是分開的，暗物質(zhì)就是物質(zhì)，暗能量是真空的排斥作用，只要是真空的話它就在排斥，而暗能量的本質(zhì)更不清楚。
王柏懿：我們更是門外漢了，剛才聽了天文臺的老同志都對暗物質(zhì)好像感覺是有點疑問，那我們作為小學(xué)生，就先接受大家的看法，暗物質(zhì)是有的。我的問題都很小兒科，第一，到底暗物質(zhì)在宇宙里怎么分布？是均勻分布還是像星系有螺旋那樣？這個我特別想知道。第二，就是說你們剛才講很多，我們普通物質(zhì)，有幾個說法，一個是普通物質(zhì)不到15%，可您剛才又給了我一個數(shù)據(jù)，就是說暗物質(zhì)是22%，暗能量74%，普通物質(zhì)4%，這個差太多了，我不知道應(yīng)該接受哪一個百分比？第三個問題，你剛才說到這個數(shù)密度，在每立方厘米里面，我們周圍，每立方厘米是0.4個氫原子，就在我們的周圍，每立方厘米的氫原子的數(shù)是多少？這樣我就有比較確切的概念了，到底是0.4個數(shù)密度大概是多少？還有你剛才講到這個，我可以通過一些物理的監(jiān)測，而不是通過天文的方法來探測這個暗物質(zhì)的存在，那么你講了一個湮滅條件，談到湮滅的話會發(fā)出光子，正負(fù)質(zhì)子一碰就湮滅了，所以我不知道它的湮滅和我們常常認(rèn)識到的淹沒是什么關(guān)系？
另外暗物質(zhì)和暗能量，一般我們理解，沒有靜止質(zhì)量就是運動質(zhì)量，那么所謂的暗能量是指沒有靜止質(zhì)量的暗物質(zhì)具備的占這么多，還是怎么樣？我就是一點都不懂，提一些小兒科的問題，想通過這個事兒知道一些。
秦波：首先暗物質(zhì)不算在已知的物質(zhì)組分里。現(xiàn)在這個圖餅叫宇宙能量的總組分，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)（都可用質(zhì)能關(guān)系折算為能量）一樣驅(qū)使宇宙收縮，而暗能量驅(qū)使宇宙膨脹，兩個共同作用，決定宇宙是怎么樣運動的，所以在宇宙學(xué)里，就能量組分而言，總是把暗能量算一塊（占74%），普通物質(zhì)算一塊（占4%），暗物質(zhì)算一塊（占22%），如將普通物質(zhì)和暗物質(zhì)打包（26%），里面暗物質(zhì)占85%，普通物質(zhì)約15%。
王柏懿：暗物質(zhì)的所占的能量，那我就理解了，我現(xiàn)在搞明白了。那你的標(biāo)題不對，你不能寫基本組分，那應(yīng)該說是它能量的分配，不同組分的能量的分配，我剛才很仔細(xì)看你是組分，我看的是成分。你是指能量的分布，暗物質(zhì)占多少暗能量。
秦波：關(guān)于粒子湮滅的問題，是說它都有一個很小的，兩個碰到一塊兒的時候，它有一定的概率，包括γ光子，正負(fù)電子、中微子都有。
王柏懿：你指的湮滅是自己之間，所有它倆碰上了就湮滅。那你又說暗物質(zhì)的粒子是沒有碰撞的。
秦波：這個是非常非常小的概率，極其小的概率。
孫克忠：為這個報告，我特意看了一些暗物質(zhì)的知識，我看到日本測的暗物質(zhì)在地下一千米。
秦波：他們指的是等效水。
孫克忠：暗物質(zhì)穿透能力大概多大？
秦波：地球都可以穿。
孫克忠：為什么要在洞里？
秦波：要屏蔽宇宙線。這個很麻煩的東西，要找非常非常純凈的一個實驗室，這個很難很難。
單煥炎：我是外行，對暗物質(zhì)、暗能量還有一個反物質(zhì)，對吧，我的印象當(dāng)中反物質(zhì)比較好理解，對暗物質(zhì)、暗能量只是知道一些很奇奇怪怪的特性，這些特性究竟怎么得出來的？根本什么理論角度非要提出暗物質(zhì)這個理論？你剛才也講到，從星系里面的運動的速度，一般的引力做不到的，好像這點的說服力，我覺得還不是太夠，從理論上來說，我覺得不是太夠。
上個世紀(jì)初，光學(xué)里面有個黑體輻射，當(dāng)初也是一個物理學(xué)的難題，解釋不了這個曲線為什么是這個形狀的？人家理論物理學(xué)家去推，一個叫維恩的人只推到一半，是符合的，另外一個人，是瑞利金斯，根據(jù)當(dāng)時的理論推的，推的另外一段，當(dāng)時就不能全部的把共識完整的推導(dǎo)出來，結(jié)果是普朗克提出了量子概念，符合得非常準(zhǔn)確，所以這個說明了什么東西呢？這些速度，不是像我們原來的引力場這個服從的規(guī)律的話，它說不定還隱含另外一種規(guī)律，不一定是暗物質(zhì)、暗能量。這是打個問號，我的話不一定對，這是我的一個疑問，一個問題。這好像給我一些當(dāng)年在光學(xué)里面，要提出一個以太，非要用以太光才能傳播，當(dāng)初的理論就是這樣的，后來否定掉了以太的理論，所以剛才呢，我有一個問題呢，你既然得出了這些理論依據(jù)，一定要讓我相信，是準(zhǔn)確的從哪兒得出來的，而且15%和18%，比例怎么得出來的？還有提出暗物質(zhì)的奇奇怪怪的特性，這是我們平時一般比較難以接受的這樣一些特性，這是一個問題。
單煥炎：能量是個標(biāo)量，有個交大的教授說，標(biāo)量沒有負(fù)值，我覺得這點是錯誤的。另外一個，你看看啊，你地球的引力的勢能就是負(fù)的。還有一個，氫原子的能級也是負(fù)的。
秦波：那只是為了標(biāo)定，定義無窮點為零，兩碼事兒。
何遠(yuǎn)光：根據(jù)秦老師講的，我認(rèn)為我們現(xiàn)在是測不了的，你這個特別小，可以穿過去，因為你靶子很小，粒子很重，速度很快，那打什么東西都打出去了。
秦波：就是說咱們一定要拋棄掉你想象中的它的幾何，這個東西到底大小有多大，粒子物理全部是用的反應(yīng)截面，截面就是概率，這個東西是一個定量的描述。所以就看概率有多大。
單煥炎：那就是說暗物質(zhì)和正物質(zhì)還是起碰撞作用，就是概率小而已。
秦波：把強力扔掉，把電磁力扔掉，就是個弱力。除了引力以外，存在比較弱的弱相互作用。就是四大相互作用里面，它有兩種相互作用。
藍松竹：我覺得你那個碰撞實際上就是個偶然事件，我們探測這個偶然事件發(fā)生的概率有多大？如果碰撞概率非常小，就說明密度一定很低。另外呢，我還覺得是不是可以這樣理解？就是現(xiàn)在我們叫暗物質(zhì)也好，暗能量也好，是因為我們那么多的觀測，解釋不了，說有一個東西，我們不知道的，所以這樣就加暗物質(zhì)了，暗能量了。
蔣世仰：是這樣的。
藍松竹：你比如說剛才說的那個星系的運動，要按理論應(yīng)該是逐漸的衰弱下來，現(xiàn)在實際觀測不是啊，你總得給它一個解釋吧，那還有一團物質(zhì)影響了它，使得它變成了這樣，所以這樣的話，就是說我們是根據(jù)觀測的結(jié)果，現(xiàn)有的理論又解釋不了，怎么辦呢？叫暗物質(zhì)也成，黑物質(zhì)也成，只不過因為已經(jīng)說了把那個叫暗物質(zhì)了，就沿用下來我們叫暗物質(zhì)。
秦波：這是我們的結(jié)果，這下面的實驗都是沒做的實驗，液氙作為靶子，惰性氣體，比如說等一年，它有一個反沖，有好幾種信號，大概三種信號，都確認(rèn)了以后，大概認(rèn)為這是一個有效的信號，等了一年，說明這個概率是比較低的，排除掉了，如果是在這個位置，那就一定探測到了，我沒探測到，就表示它的作用截面和這個暗物質(zhì)質(zhì)量的參數(shù)空間的話，做得越低，越小，說明你的靈敏度越好，我們測一年也沒測出來。正結(jié)果負(fù)結(jié)果都是很好的實驗，正結(jié)果就拿諾貝爾獎，負(fù)結(jié)果就是一個約束。
林世昌：因為我搞電子的，電子也看不見，現(xiàn)在能看見，而且電子確認(rèn)有用，量子也上來了，那么能不能預(yù)示一下。
秦波：現(xiàn)在先認(rèn)識它是什么東西再說。
林世昌：對我們?nèi)祟悤鹛蟮淖饔茫?/p>
秦波：這個問題太早了，得知道它是誰，這已經(jīng)是不得了的事情，100年物理最大的事情。
藍松竹：現(xiàn)在觀測，根據(jù)現(xiàn)象賦予了一些性能，至于它本身還有什么性能，根本就不認(rèn)識。
林世昌：好多人說認(rèn)識早著呢，到底有沒有靈魂，有沒有氣場？那么暗物質(zhì)可能是個科學(xué)，不能相比，到現(xiàn)在為止，說老實話，我還不知道什么玩意兒？到85%，這個85%怎么來的？
秦波：是從觀測星系團得來的，宇宙中沒有比它大的體系了，這里面的組分就肯定是代表性了，我覺得測這里面的普通物質(zhì)多少、暗物質(zhì)多少，都可以很精確的測出來，不用懷疑，15%。
主持人：由于時間關(guān)系，咱們的討論就到這兒，我們以后還可以交流，時間關(guān)系今天討論到這兒。
