2010年12月12日，中國(guó)首個(gè)極深地下“暗物質(zhì)”實(shí)驗(yàn)室投入使用。你可知道，暗物質(zhì)是什么？為什么說(shuō)宇宙中藏有暗物質(zhì)？

  怎樣才能知道口袋里裝了幾顆糖呢？你可以打開(kāi)口袋數(shù)一數(shù)，也可以不打開(kāi)口袋用秤稱(chēng)一稱(chēng)，來(lái)估計(jì)糖的數(shù)量。1933年，瑞士天文學(xué)家茲維基就是這樣估計(jì)星系團(tuán)的質(zhì)量的。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，某些星系團(tuán)根據(jù)發(fā)光物質(zhì)“數(shù)”出來(lái)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于根據(jù)星系運(yùn)動(dòng)“稱(chēng)”出來(lái)的質(zhì)量，兩者竟相差10倍以上！這說(shuō)明星系團(tuán)內(nèi)發(fā)光物質(zhì)太少，大部分物質(zhì)可能是不發(fā)光的！茲維基稱(chēng)其為“短缺質(zhì)量”或“無(wú)蹤質(zhì)量”，意為一部分物質(zhì)無(wú)影無(wú)蹤不知上哪兒去了。

  一開(kāi)始并沒(méi)有人重視茲維基的結(jié)果。過(guò)了將近40年后，類(lèi)似的情況越來(lái)越多，天文學(xué)家開(kāi)始明白，宇宙中可能存在不發(fā)光的物質(zhì)。它們雖然不發(fā)光，但是有引力，所以能夠感覺(jué)到它們的存在。天文學(xué)家把這種不能直接看見(jiàn)的物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為“暗物質(zhì)”。

  現(xiàn)在有越來(lái)越多的觀測(cè)證據(jù)，例如星系團(tuán)的形態(tài)、星系自轉(zhuǎn)、引力透鏡、星系團(tuán)發(fā)出的X射線、宇宙微波背景輻射各向異性等都表明，宇宙中可能存在大量的暗物質(zhì)。

  先說(shuō)星系團(tuán)的形態(tài)。星系團(tuán)中的星系都在快速運(yùn)動(dòng)著，但100多億年來(lái)，星系團(tuán)居然一直保持團(tuán)狀而不瓦解，內(nèi)部一定有一種強(qiáng)大的引力將團(tuán)內(nèi)星系緊緊吸引住，否則這些星系早就會(huì)由于快速運(yùn)動(dòng)而四處飛散，星系團(tuán)也早就土崩瓦解了。提供這種引力的主要就是暗物質(zhì)。不僅如此，星系團(tuán)的形成過(guò)程也應(yīng)該有暗物質(zhì)作為“陷阱”，吸引發(fā)光的物質(zhì)落入其中而形成星系。

  再說(shuō)星系的自轉(zhuǎn)。天文學(xué)家原以為星系邊緣的恒星，一定也像行星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)那樣，距離越遠(yuǎn)，速度就越小，繞行的速度大致同距離的平方根成反比，這就是所謂的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)。1975年，美國(guó)女天文學(xué)家維拉·魯賓發(fā)現(xiàn)，旋渦星系里大多數(shù)恒星都以相同的速度繞星系中心轉(zhuǎn)動(dòng)，這與上述理論完全相悖。最流行的解釋就是星系暈里有大量的暗物質(zhì)，它們的引力造成了星系奇特的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線。

  不僅如此，對(duì)宇宙密度的測(cè)量結(jié)果等表明，整個(gè)宇宙的物質(zhì)組成中，可見(jiàn)物質(zhì)同暗物質(zhì)的質(zhì)量之比大致在1∶5到1∶6之間。所以說(shuō)，暗物質(zhì)對(duì)我們整個(gè)宇宙都至關(guān)重要。

  宇宙中的物質(zhì)構(gòu)成

  那么暗物質(zhì)是由什么組成的呢？可能有兩種。一種就是普通物質(zhì)，也就是所謂的重子物質(zhì)，比如褐矮星、黑矮星、中子星、黑洞等發(fā)光微弱的天體。它們可以參與電磁相互作用，即可以發(fā)射光或吸收光。但是由于太小、太冷或太遠(yuǎn)而不能被目前的望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。不過(guò)，根據(jù)理論研究可知，重子物質(zhì)不可能占到這么高的比例。所以絕大部分暗物質(zhì)可能是另一種物質(zhì)——非重子物質(zhì)。非重子物質(zhì)不參與電磁相互作用，不會(huì)發(fā)光，也不會(huì)吸收光。按運(yùn)動(dòng)快慢，它又分為熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)。但是，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)表明熱暗物質(zhì)沒(méi)有這么多，所以暗物質(zhì)應(yīng)該主要是冷暗物質(zhì)。冷暗物質(zhì)最有可能的候選者有渺中子、軸子、引力微子等。渺中子是超對(duì)稱(chēng)理論預(yù)言的粒子，它非常重，質(zhì)量可以達(dá)到質(zhì)子的1000倍。不過(guò)在宇宙中的分布非常稀疏。軸子也是理論預(yù)言的粒子，其質(zhì)量非常小，只有質(zhì)子的一百萬(wàn)億分之一，但是密度非常大。目前對(duì)暗物質(zhì)粒子的探測(cè)還在進(jìn)行中，尚沒(méi)有確定的結(jié)果。