暗物質與暗能量

2003年年底以來，從國內外眾多刊物和媒體評選出的2003年世界十大科技進展新聞看，物質本源及生物起源仍是世界科技關注的重點，入選的多項科技進展都屬于這一領域。其中，"科學家發現暗能量存在的直接證據"這一物質本源研究進展更是受到廣泛關注。如美國“科學”雜志評出年度十大科學成就時評價說，“明確宇宙能量分布，找到暗物質和暗能量存在的新證據，是2003年所取得的最重大的科學突破。”

2003年7月23日，美國匹茲堡大學斯克蘭頓（Scranton）博士領導的一個多國科學家小組宣布，他們借助美國“威爾金森微波各向異性探測器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）（右圖）的觀測數據（觀測宇宙微波背景輻射的微小變化），發現了暗能量存在的直接證據。作為“大爆炸”的“余燼”，宇宙微波背景輻射大約在“大爆炸”后38萬年產生，其中的光子在宇宙中穿行時會經歷一系列物理過程，特別是在經過質量較大的星系時，這些光子將遭遇“引力陷阱”。探測結果顯示，宇宙年齡約為137億年，宇宙由23％的暗物質，73％的暗能量，4％的普通物質組成。宇宙中所占比例最多的東西反而是人類最遲也是最難了解的，至今僅知道它們存在著，但還不清楚它們的性質。　　

斯克蘭頓等人介紹說，如果星系主要由普通物質組成，那么光子在落入“引力陷阱”以及從中逃逸出來的過程中，由于“陷阱”深度固定，其能量總體上將不會變化。但是，如果星系中包含暗能量，情況就會不同。由于暗能量的排斥力作用，光子在落入“引力陷阱”并逃出來的過程中，“陷阱”會逐漸變淺，能量反而增加。體現在微波背景輻射觀測圖上，經過這些星系區域的宇宙微波背景輻射溫度將出現細微上升。（右圖為威爾金森各向異性微波探測器觀測到的宇宙第一束光線--宇宙大爆炸的余輝）

斯克蘭頓博士等將WMAP以及另一項名叫“斯隆數字天宇測量”（Sloan Digital Sky Survey，簡稱SDSS）（測定宇宙中星系的位置和彼此間距離）觀測計劃的結果進行了對比分析，結果發現，經過一些大質量星系區域的宇宙微波背景輻射溫度確實出現了微升。科學家認為，這一結果只有用暗能量才能予以解釋。（左圖中左側的黑色物為SDSS的主望遠鏡）

“暗物質、暗能量”到底是怎么回事呢？

暗物質

普通物質是那些在一般情況下能用眼睛或借助工具看得著的東西，即使藏身于最黑暗的角落，只要有光照總能發現它們。

誰最先發現了暗物質呢？二十世紀30年代，瑞士天文學家茨威基（Fritz Zwicky，1898-1974）（左圖）發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只占總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。茨威基首先發現了暗物質的存在，他的發現大大推動了物理學的發展，他對科學的重大貢獻是不可估量的。但當時許多人并不相信茨威基的結果。由于暗物質根本不與光發生作用，更不會發光，在天文上用光的手段絕對看不到暗物質。（右圖為茲威基正在望遠鏡前觀察）

萬物之間存在萬有引力，太陽系的九大行星圍繞太陽旋轉（左圖），越往外其轉動的速度越低，比如地球繞日速度是每秒30公里，高于火星，而火星的速度又高于位于它之外的木星，這是典型的中間有一顆大恒星的行星系表現。

二十世紀70年代初，科學家在觀測宇宙其他一些星系（包括銀河系（右圖））中的恒星運行速度時就發現，越往外，圍繞中心的速度并不都是衰減下去，而是和內圈恒星的速度差不多。這與越往外，物質越少，引力也越小，速度也應該越低的常規不符。由此反推，此時雖然外圈的那些能被直接觀測到、數出來的星星數目變少了，但其實內部的物質數量并沒有減少，引力也沒有變小，只不過觀測不到而已，科學家們大膽地猜測：宇宙中一定有某些物質沒有被我們的天文觀測所發現，這些物質被稱為“暗物質”。

UGC10214星系是天文學家們發現的一個典型例子（左圖），其中的物質不停地向它自己的外圍流出，但在其外圍卻看不到任何別的星系存在。據猜測，該星系的旁邊存在著一種“暗星系”，這些物質流就是在暗星系引力的作用下才流出來的。

科學家認為，通過測量物體圍繞星系轉動的速度可以找到暗物質存在的證據。根據人造衛星運行的速度和高度，就可以測出地球的總質量。根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質量。同理，根據物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系范圍內的總質量。計算的結果發現，星系的總質量遠大于星系中可見星體的質量總和，推算的結果：星系中的暗物質約占宇宙物質總量的20-30%。

暗物質的物理組成到底是什么？科學家們早先推測它可能由一種不帶電的、質量很輕的、數目繁多的中微子構成，中微子的運動速度很快，可稱之熱暗物質；相對的，候選者還有可能是種質量大的、運動慢、引力大的冷暗物質粒子。天文學家后來在實際的觀測和計算當中發現，答案更傾向于后者。冷暗物質粒子很可能是宇宙早期遺留下來的穩定、只有弱作用的重粒子（WIMP）。

2003年7月28日，以享克-霍克斯特（Henk Hoekstra）為首的加拿大多倫多大學（York University in Toronto）的天文學家成功測出了看不見的星系光暈（Dark matter halos）(也稱暈圈，星系光環)的大小并確定了其形狀（左圖）。根據最新的天文學理論，這些星系由暗物質構成。多倫多大學的天文學家解釋稱，這些光暈的體積要比看得見的星系(也就是發光物質——星體)體積大5—8倍。

享克-霍克斯特與他的同事霍華德-伊（Howard Yee），以及目前在加利福尼亞帕薩迪納(Pasadena)天文臺工作的邁克爾-哥拉德（Michael Gladders）等在各自的研究中都運用了“引力透鏡”（gravitational lens）效應(即質量龐大的天體通過引力作用使其它光源發出的光線在行進過程中發生偏離和扭曲)（右圖）。天文學家們通過測算光線與光源之間的偏移度就可以對那些借助任何儀器都難以觀察得到的天體進行研究。

天文學家利用1億像素的數碼照相機和安裝在夏威夷島上的大功率天文望遠鏡（Keck）（左圖），對150多萬個被附近12萬個星系的“引力透鏡”所扭曲的遙遠星系的形狀進行了研究。這一研究過程從1999年開始持續了兩年，然后又花了兩年時間對所獲取的數據進行處理。最后得出結論：這些看不到的光暈被急劇“削弱”而形成雞蛋狀或橄欖球狀。

享克-霍克斯特還指出，我們所在的星系—銀河系的光暈超過50萬光年，其質量約為太陽的8800億倍。

這一研究數據再次證實了當前被天文學界普遍接受的理論——宇宙充滿著“冷暗物質”，也就是運動較緩慢的微粒(與快速運動的“熱”微粒相區別)（“熱暗物質”占的比例極小）。這一研究結果還為其它宇宙模式理論給予了必要的沖擊。因為目前一些科學家試圖發展另外一種學說，即不存在任何暗物質，所觀測到的“引力透鏡”現象也只是星系中普通物質萬有引力定律的特殊情況。但享克-霍克斯特教授相信，他們的研究工作將最終推翻這種學說。

世界各國的科學家為尋找暗物質正在進行著各種實驗。　　　

近十年前，一些科學家開始探索用測量年度調制的方法探測可能存在的冷暗物質粒子—弱作用粒子WIMP。由于地球繞太陽公轉的原因，使得地球與WIMP的相對速度隨季節變化，在每年的6月份可能通過一個較高的WIMP流強，而在每年的12月份可能通過一個較低的WIMP流強，比率的漲落差約為7％。WIMP的年度調制，有助于將WIMP信號從本底中剝離出來。為了探測到這一調制，需要有大規模、很低放射性本底的探測器。

意大利格朗薩索（Gran Sasso）國家地下實驗室（位于地下1400米深處）DAMA實驗組從1996年開始選用放射性本底極低的碘化鈉晶體陣列來探測WIMP。實驗的初步結果觀察到了碘化鈉晶體中的原子核與WIMP粒子碰撞的效應也隨季節有微小的變化，即觀察到了它的年調制效應，并由此推算出WIMP粒子的質量至少比質子大50倍，引起世界科學界的重視。（右圖為安裝在意大利格朗薩索國家實驗室中的碘化鈉晶體陣列）中國科學家參加了此項國際合作。DAMA組的結果說明了有WIMP可能存在的初步證據，但美國斯坦福大學的科學家作了與DAMA類似的實驗，尚未能證實DAMA的結果。最后的結論還有期待國際上更多實驗的結果，例如，建在英國北約克郡(North Yorkshire)海岸博爾比(Boulby)地下1100米深處鹽鉀堿礦的英國暗物質實驗中心已經于2003年4月28日正式啟動。

除了地下的探測，利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質和暗物質，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學的一些重大和疑難問題的阿爾法（α）磁譜儀（Alpha Magneitic Spectrom-eter，簡稱AMS）的研制工作正在進行。AMS是人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀，這是美籍華裔物理學家丁肇中教授提出并領導的大型國際合作科學研究項目，由美國和中國等10多個國家和地區的37個科研機構參加科研工作。1998年6月，AMS由“發現號”航天飛機載入太空，進行了約10天的試驗性探測。計劃將來通過航天飛機把它送到由美、俄、西歐、日本和加拿大等國聯合研究的“國際空間站”上運行3-5年。（左圖為“發現號”航天飛機上的AMS）

AMS由一個直徑約1.2米、高0.8米、重量約為1.85噸的圓環形永磁體產生均勻的平行磁場，磁束密度約為0.15特斯拉。圓環內安裝6層硅微調探測器，用來記錄帶電宇宙射線粒子的運動軌跡。一個帶正電荷的粒子在穿過磁場時，其運動方向將與帶負電的相反。根據每層記錄下來的帶電粒子穿過的軌跡，可以推算出粒子的偏轉方向及帶電荷的大小。帶電荷量愈大，在穿過每層硅微調探測器時能量損失愈快。具有較大動量的粒子在穿過探測器時偏轉的角度較小，從而可以估計出粒子的質量。磁譜儀的上、下兩層還裝有閃爍體，當粒子穿過時會發出亮點，其亮度與粒子穿過時的能量成正比。通過上、下兩層光點亮度及穿過瞬間的比較，可以得出粒子能量的損失大小以及粒子穿過所需的時間。反物質、暗物質在磁場中運動時會表現出不同的特點，因而可以探測出來。

AMS能精確測量存在于太空中的反質子、正電子、光子和其它粒子的能量分布，從而有可能揭開暗物質的秘密。中國在這項重要的研究和應用中也作出了重要的貢獻。（右圖為由中國科學家設計制造的AMS-01永磁體系統在北京進行震動實驗）

暗能量

天文學家認為，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能嚴格說其是一種斥力，只能稱其為能量。宇宙大爆炸時發生膨脹，產生的能量把物質往外排斥，暗能量斥力作用的發現，使學者們認識到，宇宙不光是在膨脹，而且還是在加速膨脹。

暗能量在宇宙中更像是一種背景，讓人根本感覺不到它的存在，但它確實存在，且起著非同一般的作用。有人把暗能量稱為“真空能”。上世紀20、30年代，就有科學家認為真空不空，只是物理的探測儀器探測不到“真空”中并非真的什么都沒有。

對暗能量理論上的猜測可追溯到愛因斯坦年代，1915年愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）（右圖）提出了廣義相對論，這是自牛頓時代以來第一次出現的重力理論。1917年，他將廣義相對論公式應用到整個宇宙，想看看能否獲得對宇宙本質的新認識。世界上的物理學家、數學家隨即開始解其中的引力方程，方程有兩種解，結論是宇宙不會完全靜止，宇宙沒有靜止點。

方程的第一種解是，如果宇宙只存在引力，沒有別的力作用的話，出于相互吸引，宇宙不可能靜止.

方程的另一種解是，宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個初速度，向外膨脹，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，所以宇宙不是膨脹就是收縮，不可能靜止。 

愛因斯坦覺得從哲學思想上分析，這兩種解都不合適，按他的想法宇宙應該是靜止的，不能永不停息的運動。因此，愛因斯坦又向廣義相對論引力方程中引入了一項“宇宙常數”（cosmological constant λ）。這個宇宙常數起排斥力的作用，有了該常數之后，引力方程同時具備了引力和斥力，正好能夠達到平衡，可讓宇宙“靜止”下來。

上世紀20年代，美國著名天文學家哈勃（Edwin Powell Hubble,1889-1953）（右圖）經過觀測發現，宇宙確實是在不斷膨脹，他根據星系的距離和運行速度證實，離我們越遠的星系向外運動的速度越快，這是宇宙正在膨脹的表現。這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相契合，迅速得到了世界上絕大多數科學家的認可。愛因斯坦本來是想把宇宙“靜止”下來，但實際的宇宙是在膨脹著。他認為：“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！”（左圖為哈勃正在帕洛馬山上48英寸望遠鏡前進行天文觀測）

但愛因斯坦提出的“宇宙常數”并未被科學家們遺棄，一小部分科學家此后在將觀測結果與理論進行對比的時候，常常會把此常數捎帶上。如果計算結果顯示“宇宙常數”等于0，就證明該數確實不能用；反之，就證明愛因斯坦引入一個常數的思路是對的。

1997年哈勃太空望遠鏡拍攝到一顆超新星，編號為“１９９７ｆｆ”（左圖）。美國馬里蘭州太空望遠鏡研究所和勞倫斯伯克利國家實驗室的天文學家通過對該超新星光線的相對強度進行的研究表明，“ １９９７ｆｆ”爆發于110億年前，是迄今發現的最遙遠的超新星，當時宇宙的年紀只有現在的四分之一，宇宙的膨脹很可能經歷了一個先減速、后加速的過程。科學家為愛因斯坦的“暗能量”理論找到了第一個直接證據。

超新星即爆炸中的恒星，它發出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。測定超新星的亮度，可以用來判斷宇宙膨脹的速率。在宇宙減速膨脹中誕生的星體，其發出的光到達地球時，該星體和地球之間的距離由于膨脹減速的原因要比預計的近，因而地球上的觀測者會發現其光要比預計中更亮。（右圖為超新星的爆炸）

經過大量的計算和分析，科學家們確認“ １９９７ｆｆ”的亮度是預計正常亮度的兩倍，比距離更近、更年輕的超新星爆炸發出的光還要亮。科學家們據此判定，這顆超新星爆發于宇宙的減速膨脹階段。

科學家們指出，新發現和此前的觀測結論相結合，證實了宇宙膨脹先減速后加速，同時也證明宇宙中確實存在“暗能量”。

“暗能量”據認為更接近能量，而非物質。科學家認為，與暗物質一樣，“暗能量”構成了宇宙中不可見的一部分。科學家估計“暗能量”可能占據了宇宙成分的三分之二，對它的了解對于理解時間、空間、物質和能量具有關鍵作用。

1998年，天文學家們在南極用80萬立米氣球搭載BOOMERANG（Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics)）微波探測器（氣球從1998年12月29日到1999年1月9日從37公里的高空飛越南極）BOOMERANG在空中控測了宇宙微波背景（CMB）下擾動的大量樣本，其中，CMB是從各個方向襲擊地球的持續的電磁聲波。這些遙遠的聲音是大爆炸之后的遺留輻射。他們探測的只是全天中的一小塊，得出的結論是：“宇宙常數”不等于0，且在整個宇宙中所占比例還很大。此后，“宇宙常數”正式被稱為“暗能量”。

愛因斯坦沒有想到，當初他認為是錯誤的“宇宙常數”——暗能量，竟然是極有道理的，幾乎可稱得上是宇宙的本質。

觀念的沖擊和突破

波蘭天文學家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473-1543）（左圖）1536年寫成《天體運行論》，1543年公開出版。他在書中指出，地球不是宇宙的中心而是圍繞太陽運行的普通行星,其自身又以地軸為中心自轉。哥白尼的日心說推翻了統治天文學1000多年的地心體系（即地球是宇宙中心的學說），引起了全世界的軒然大波，人們不得不重新審視自身在宇宙中所扮演的角色。

在此之后，天文學上的發現不斷地突破人們所建構的關于宇宙中心的知識體系，地球不是中心，太陽也并非就是，銀河系也不是，隨著愛因斯坦廣義相對論的提出，人們才認識到宇宙根本沒有中心。

暗物質和暗能量的存在是以前人類無法想象的事情，隨著暗物質、暗能量被證實存在，并證實它們在宇宙中占有很大比重，人們的觀念受到極大的沖擊和突破。“宇宙由暗物質組成并因暗能量而彼此分開”這一難以理解而且違反常理的宇宙模型，也由于WMAP、SDSS以及新的超新星數據，逐漸得到了驗證。科學家們已經開始研究一系列新問題，進一步探索這些“不可見宇宙”如何影響銀河系和宇宙的過去、現在和未來。可以相信，人類最終一定能夠理解宇宙的起源。