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

出現(xiàn)與引力理論不一致現(xiàn)象

1687年，牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》中提出了物質間的萬有引力定律。200多年后，愛因斯坦于1916年發(fā)表了廣義相對論，把牛頓的引力理論推廣到適用高速運動的物體。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20年代起，越來越多的天文觀測表明，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。”陳和生說道。

天文學家觀測發(fā)現(xiàn)，旋渦星系的旋轉曲線并沒有按引力理論預言的那樣，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動，根據(jù)牛頓的萬有引力，太陽轉動的速度和銀河系的質量以及太陽離銀心的距離直接相關，可以推出太陽的轉動速度為每秒170千米，但是實際測量的結果卻是每秒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?

對宇宙中95%物質一無所知

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

“這個結果是相當驚人的。粒子物理的基本理論‘標準模型’正確地解釋了幾乎所有的實驗現(xiàn)象，20世紀60年代以來，與之相關的研究獲得了18次諾貝爾物理學獎。但這個成功的理論只能解釋宇宙中不到5%的物質，而對剩下的95%一無所知，我們成了井底之蛙。”陳和生說。

那么，我們一無所知的暗物質到底是什么?物理學家還不知道。他們猜測，暗物質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。

對于這種既看不見也摸不著的暗物質，科學家們正在努力尋找它們。“暗物質尋找是近三十年國際粒子物理實驗的熱點之一，主要通過三類實驗來尋找暗物質粒子。”陳和生告訴記者。

三類實驗正在搜尋暗物質粒子

第一種類實驗是在超高能對撞機上產(chǎn)生暗物質候選粒子，在歐洲的大型強子對撞機上有很多科學家從事這樣的工作，其中包括很多來自中國科研院所和高校的科學家。

“‘對撞’只是一種尋找暗物質的方法，科學家還在‘上天’‘入地’尋找暗物質。所謂‘上天’，就是在外層空間間接探測暗物質，暗物質粒子可能會湮滅，產(chǎn)生普通物質對，如正負電子對。可以通過測量宇宙線正電子來尋找暗物質，比如華人諾獎獲得者丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀實驗;也可以通過測量宇宙線電子加正電子來尋找暗物質，比如我國的‘悟空’衛(wèi)星實驗。”陳和生說道。

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

實際上，即便這三類實驗之一發(fā)現(xiàn)了暗物質的候選粒子，確認它就是宇宙中的暗物質也是一項極為艱巨的任務。陳和生強調(diào)，三種實驗或至少兩種，必須相互驗證，才能確認這種粒子的存在，這需要理論和實驗物理學家以及天文學家密切合作，共同努力。(記者 陸成寬)