暗物质之谜
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- 最后修订：
- 2020-07-03 15:25:38
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【简介】
现代天文学观测表明，宇宙中最主要的物质组分是暗物质，其占据了宇宙物质总量的约85%，而我们所熟知的由质子、中子、电子组成的普通物质，只占15%。通过大量天文观测，天文学家不仅已清晰给出了暗物质存在的有力证据，而且可以比较精准地测量出暗物质在宇宙空间中的分布。但对暗物质究竟是什么，人们迄今了解非常有限。揭开暗物质之谜，将是本世纪最伟大的一项科学发现。本次沙龙邀请国家天文台SKA科学部主任秦波研究员和德国波恩大学博士后研究员陕欢源，在沙龙上介绍了暗物质研究领域的概念、发展历史、研究进展，并对相关问题进行讨论。
【主持人致辞】
汪克敏：欢迎大家的到来。现在天文学的观测表明，宇宙中最主要的物质组成是暗物质，其占据了宇宙物质总量的约85%，而我们所熟知的由质子、中子、电子组成的普通物质占15%。但暗物质究竟是什么？如何揭开暗物质之谜？是大家关心的热点。下面请秦波研究员作主旨报告。
【主旨报告】
秦波：暗物质之迷——世纪难题
一、引言
各位专家好！新观测手段，打开全新窗口，对旧知识体系有颠覆性和革命性。今天的物理学正处于一场重大变革的前夜。一百多年前，物理学天空的“两朵乌云”催生了相对论和量子力学。物理学经过百年的轮回，又一次处在了一个十字路口。揭开“暗物质、暗能量”之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命。中国应抓住历史机遇，在这场物理学的伟大变革中有所作为。
图1 X射线天文学：星系团A2029（X射线vs 光学）
二、精确宇宙学
现代宇宙学的研究，对宇宙的一些基本问题有了一些了解：
1.宇宙的几何是平坦的还是弯曲的？非常平坦，误差仅2%
2.宇宙是在不断膨胀的：从任何一个观测者看，星系都在向外飞去，其速度与这个星系与观测者的距离成正比。这个比例系数就是描述宇宙膨胀的基本参量——哈勃常数
H0 = 70.1 ±1.3 km/s/Mpc
3.宇宙起源于一个致密炽热的奇点的大爆炸，宇宙的年龄 137 ±1 亿年
4.宇宙的基本组分（按照质能关系折算）
暗物质：占22%
暗能量：占74%
普通物质：仅占4%
图2 宇宙的基本组分
在庆祝宇宙学成就的同时，发现我们对宇宙的认识竟然如此少！人类的现有知识仅描述了宇宙组分的4%，而对~96%的组分基本不了解。
三、探测暗物质
今后十年、二十年的必然趋势： 由天文观测转向物理探测（即暗物质实验）在实验室（地下、地面、空间）捕捉和探测暗物质粒子，是最终揭开暗物质之谜的必由之路，自九十年代末以来，国际上暗物质实验已蓬勃展开。
图3 三种探测暗物质的方法
当前物理学界探测暗物质的方法主要有三种：
● 加速器物理方法：
· 利用对撞机产生暗物质：欧洲核子中心的LHC（大型强子对撞机），通过实验分析是否有暗物质产生。
● 非加速器物理方法：
· 直接探测方法：测量暗物质粒子与普通粒子之间极其罕见的散射事例。
· 间接探测方法：测量暗物质粒子湮灭所产生的次级粒子。如 γ光子，正负电子e+ e-, 中微子。
图4 全世界暗物质地下实验分布（暗物质直接探测）
目前国际上已有大量暗物质实验在进行，基本上是非加速器实验。相对于加速器实验，非加速器实验造价十分低廉。
我国暗物质探测实验的现状：
■ 起步相当晚，进步很大。
■ 利用得天独厚的自然条件优势：中国锦屏隧道（当今世界最得天独厚的暗物质地下实验室）。
■ 前景广阔（从跟随到引领，暗物质空间探测，中国暗物质粒子探测卫星---悟空的重要发现---1.4TeV附近的尖峰，暗物质湮灭信号）。
图5 中国锦屏隧道—— 当今世界最得天独厚的暗物质地下实验室
图6 我国发射暗物质探测试验卫星—“悟空”
谢谢大家！
【邀请报告】
陕欢源：引力透镜---宇宙中的“照妖镜”
各位专家上午好！暗物质只参与引力相互作用，而不参与电磁相互作用，即不能发光，无法通过传统天文观测手段探测到，因此不依赖于天体“发光”的观测手段就显得尤其重要。根据爱因斯坦广义相对论，当背景光源发出的光在引力场（包括重子物质和暗物质）附近经过时，光线会像通过透镜一样发生弯曲，这种现象被称为引力透镜效应。光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱。通过分析背景光源的扭曲，可以研究暗物质主导的引力场性质，从而一窥“黑暗”宇宙的真面目。
一、暗物质问题提出及发展历史
◇ 1933年，美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）通过对后发座星系团的研究，发现星系外侧的旋转速度较牛顿引力预测的速度要快，指出暗物质存在。
图7 Fritz Zwicky，1898 -1974
◇ 随后几十年的观测事实，大尺度星系边缘物质运动速度不是减慢而是与中心可见物质稠密区一样快，证实了有大量看不见的物质（暗物质）存在，并且有力的作用。
图8 预示暗物质的存在 — 星系旋转曲线
二、探测暗物质的方法---引力透镜
根据爱因斯坦的理论，质量使得时空弯曲，光线沿着时空中最短路径行进。因此恒星在天空中真实的位置与视线延伸有偏转。这就是引力透镜现象。1919年5月29日著名的爱丁顿团队日全食观测，验证了爱因斯坦光线偏转（太阳在明亮的毕星团前，使得恒星的位置偏离夜间观测位置）。由于暗物质虽然看不见，但是也有引力作用，因此这一观测方法可以应用到大尺度宇宙学，用来观测引力透镜现象的前景物质，即大质量天体（包括暗物质）。
从20世纪70年代开始的引力透镜观测方法，目前已成为暗物质研究最重要的工具之一。
图9 引力透镜
图10 天文观测发现的引力透镜现象
【讨论与交流】
主持人：感谢两位博士的发言。咱们开始讨论阶段，可以自由发言提问。
邹振隆：暗物质有几个参数可能是简并的。你图上的排除线，排除的是哪个参数？
秦波：纵坐标是作用截面，横坐标是质量。
邹振隆：是理论上预言的？
秦波：实验有独立性，不管理论预言怎么样，都可以继续测。
邹振隆：那就是不管质量如何，主要约束截面了？
秦波：不是，是在不同的质量段，而且很敏感，原因是我们实验用靶粒子是超过一个截面的，原子核大概是100倍氢原子。暗物质粒子打过来的时候将靶原子核打飞，它越重，信号越好，所以设计的时候，要用核比较重的惰性气体。
邹振隆：也是改善靶标的性质？
秦波：这就是清华他们赌的那个，所有的都是针对大质量，比如说100倍的氢原子质量，往上走的，所以设计在低质量端是个缺陷，对低质量的敏感，它可以做到最好，它押的是这个。
蒋世仰：太阳系里面的暗物质，一定是比太阳质量的1%还要少，说不定暗物质非常稀有。
秦波：九大行星的开普勒运动速度曲线，说明太阳系里暗物质的确非常稀有，但星系转动速度曲线和星系团速度弥散分布表明暗物质在大尺度上占主导。
蒋世仰：就是说知道是两种不同的分布曲线，说不定反过来证明，在太阳系探测到暗物质概率很低，会不会最后是浪费钱。
蓝松竹：我有个问题，像星系，重子物质分布大尺度上是网状结构的，暗物质会不会也是这样分布？
秦波：没错，是这样的。
蓝松竹：是不是也是伴随重子物质一起分布的呢？
秦波：大尺度上是这样的。
林元章：天文上的观测比较肯定。我的问题，现在物理学界相信暗物质存在的，有百分之多少？
秦波：全部。
林元章：那就是说相信天文学的结果。
秦波：当然，必须相信，没有选择。
蓝松竹：还有一个问题，现在是所谓21世纪的两个幽灵，一个是暗质量、一个是暗能量。那么它们二者之间有没有物理学上的联系？
秦波：这个理论家在做，比如说是不是有什么关联，但目前一般的观点，这两件事是分开的，暗物质就是物质，暗能量是真空的排斥作用，只要是真空的话它就在排斥，而暗能量的本质更不清楚。
王柏懿：我们更是门外汉了，刚才听了天文台的老同志都对暗物质好像感觉是有点疑问，那我们作为小学生，就先接受大家的看法，暗物质是有的。我的问题都很小儿科，第一，到底暗物质在宇宙里怎么分布？是均匀分布还是像星系有螺旋那样？这个我特别想知道。第二，就是说你们刚才讲很多，我们普通物质，有几个说法，一个是普通物质不到15%，可您刚才又给了我一个数据，就是说暗物质是22%，暗能量74%，普通物质4%，这个差太多了，我不知道应该接受哪一个百分比？第三个问题，你刚才说到这个数密度，在每立方厘米里面，我们周围，每立方厘米是0.4个氢原子，就在我们的周围，每立方厘米的氢原子的数是多少？这样我就有比较确切的概念了，到底是0.4个数密度大概是多少？还有你刚才讲到这个，我可以通过一些物理的监测，而不是通过天文的方法来探测这个暗物质的存在，那么你讲了一个湮灭条件，谈到湮灭的话会发出光子，正负质子一碰就湮灭了，所以我不知道它的湮灭和我们常常认识到的淹没是什么关系？
另外暗物质和暗能量，一般我们理解，没有静止质量就是运动质量，那么所谓的暗能量是指没有静止质量的暗物质具备的占这么多，还是怎么样？我就是一点都不懂，提一些小儿科的问题，想通过这个事儿知道一些。
秦波：首先暗物质不算在已知的物质组分里。现在这个图饼叫宇宙能量的总组分，暗物质和普通物质（都可用质能关系折算为能量）一样驱使宇宙收缩，而暗能量驱使宇宙膨胀，两个共同作用，决定宇宙是怎么样运动的，所以在宇宙学里，就能量组分而言，总是把暗能量算一块（占74%），普通物质算一块（占4%），暗物质算一块（占22%），如将普通物质和暗物质打包（26%），里面暗物质占85%，普通物质约15%。
王柏懿：暗物质的所占的能量，那我就理解了，我现在搞明白了。那你的标题不对，你不能写基本组分，那应该说是它能量的分配，不同组分的能量的分配，我刚才很仔细看你是组分，我看的是成分。你是指能量的分布，暗物质占多少暗能量。
秦波：关于粒子湮灭的问题，是说它都有一个很小的，两个碰到一块儿的时候，它有一定的概率，包括γ光子，正负电子、中微子都有。
王柏懿：你指的湮灭是自己之间，所有它俩碰上了就湮灭。那你又说暗物质的粒子是没有碰撞的。
秦波：这个是非常非常小的概率，极其小的概率。
孙克忠：为这个报告，我特意看了一些暗物质的知识，我看到日本测的暗物质在地下一千米。
秦波：他们指的是等效水。
孙克忠：暗物质穿透能力大概多大？
秦波：地球都可以穿。
孙克忠：为什么要在洞里？
秦波：要屏蔽宇宙线。这个很麻烦的东西，要找非常非常纯净的一个实验室，这个很难很难。
单焕炎：我是外行，对暗物质、暗能量还有一个反物质，对吧，我的印象当中反物质比较好理解，对暗物质、暗能量只是知道一些很奇奇怪怪的特性，这些特性究竟怎么得出来的？根本什么理论角度非要提出暗物质这个理论？你刚才也讲到，从星系里面的运动的速度，一般的引力做不到的，好像这点的说服力，我觉得还不是太够，从理论上来说，我觉得不是太够。
上个世纪初，光学里面有个黑体辐射，当初也是一个物理学的难题，解释不了这个曲线为什么是这个形状的？人家理论物理学家去推，一个叫维恩的人只推到一半，是符合的，另外一个人，是瑞利金斯，根据当时的理论推的，推的另外一段，当时就不能全部的把共识完整的推导出来，结果是普朗克提出了量子概念，符合得非常准确，所以这个说明了什么东西呢？这些速度，不是像我们原来的引力场这个服从的规律的话，它说不定还隐含另外一种规律，不一定是暗物质、暗能量。这是打个问号，我的话不一定对，这是我的一个疑问，一个问题。这好像给我一些当年在光学里面，要提出一个以太，非要用以太光才能传播，当初的理论就是这样的，后来否定掉了以太的理论，所以刚才呢，我有一个问题呢，你既然得出了这些理论依据，一定要让我相信，是准确的从哪儿得出来的，而且15%和18%，比例怎么得出来的？还有提出暗物质的奇奇怪怪的特性，这是我们平时一般比较难以接受的这样一些特性，这是一个问题。
单焕炎：能量是个标量，有个交大的教授说，标量没有负值，我觉得这点是错误的。另外一个，你看看啊，你地球的引力的势能就是负的。还有一个，氢原子的能级也是负的。
秦波：那只是为了标定，定义无穷点为零，两码事儿。
何远光：根据秦老师讲的，我认为我们现在是测不了的，你这个特别小，可以穿过去，因为你靶子很小，粒子很重，速度很快，那打什么东西都打出去了。
秦波：就是说咱们一定要抛弃掉你想象中的它的几何，这个东西到底大小有多大，粒子物理全部是用的反应截面，截面就是概率，这个东西是一个定量的描述。所以就看概率有多大。
单焕炎：那就是说暗物质和正物质还是起碰撞作用，就是概率小而已。
秦波：把强力扔掉，把电磁力扔掉，就是个弱力。除了引力以外，存在比较弱的弱相互作用。就是四大相互作用里面，它有两种相互作用。
蓝松竹：我觉得你那个碰撞实际上就是个偶然事件，我们探测这个偶然事件发生的概率有多大？如果碰撞概率非常小，就说明密度一定很低。另外呢，我还觉得是不是可以这样理解？就是现在我们叫暗物质也好，暗能量也好，是因为我们那么多的观测，解释不了，说有一个东西，我们不知道的，所以这样就加暗物质了，暗能量了。
蒋世仰：是这样的。
蓝松竹：你比如说刚才说的那个星系的运动，要按理论应该是逐渐的衰弱下来，现在实际观测不是啊，你总得给它一个解释吧，那还有一团物质影响了它，使得它变成了这样，所以这样的话，就是说我们是根据观测的结果，现有的理论又解释不了，怎么办呢？叫暗物质也成，黑物质也成，只不过因为已经说了把那个叫暗物质了，就沿用下来我们叫暗物质。
秦波：这是我们的结果，这下面的实验都是没做的实验，液氙作为靶子，惰性气体，比如说等一年，它有一个反冲，有好几种信号，大概三种信号，都确认了以后，大概认为这是一个有效的信号，等了一年，说明这个概率是比较低的，排除掉了，如果是在这个位置，那就一定探测到了，我没探测到，就表示它的作用截面和这个暗物质质量的参数空间的话，做得越低，越小，说明你的灵敏度越好，我们测一年也没测出来。正结果负结果都是很好的实验，正结果就拿诺贝尔奖，负结果就是一个约束。
林世昌：因为我搞电子的，电子也看不见，现在能看见，而且电子确认有用，量子也上来了，那么能不能预示一下。
秦波：现在先认识它是什么东西再说。
林世昌：对我们人类会起太大的作用？
秦波：这个问题太早了，得知道它是谁，这已经是不得了的事情，100年物理最大的事情。
蓝松竹：现在观测，根据现象赋予了一些性能，至于它本身还有什么性能，根本就不认识。
林世昌：好多人说认识早着呢，到底有没有灵魂，有没有气场？那么暗物质可能是个科学，不能相比，到现在为止，说老实话，我还不知道什么玩意儿？到85%，这个85%怎么来的？
秦波：是从观测星系团得来的，宇宙中没有比它大的体系了，这里面的组分就肯定是代表性了，我觉得测这里面的普通物质多少、暗物质多少，都可以很精确的测出来，不用怀疑，15%。
主持人：由于时间关系，咱们的讨论就到这儿，我们以后还可以交流，时间关系今天讨论到这儿。
