在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)是指那些不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)。人們目前只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知宇宙中有大量暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)存在的最早證據(jù)來源于對球狀星系旋轉(zhuǎn)速度的觀測?，F(xiàn)代天文學(xué)通過引力透鏡、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認(rèn)知的部分大概只占宇宙的4%，暗物質(zhì)占了宇宙的23%，還有73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。

 暗物質(zhì) Dark Matter

什么是暗物質(zhì)?暗物質(zhì)(包括暗能量)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，它代表了宇宙中90%(暗物質(zhì)加暗能量90%)以上的物質(zhì)含量，而我們可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的10%不到(約5%左右)。1957年諾貝爾獎的獲得者李政道更是認(rèn)為其占了宇宙質(zhì)量的99%。暗物質(zhì)無法直接觀測得到，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。科學(xué)家曾對暗物質(zhì)的特性提出了多種假設(shè)，但直到目前還沒有得到充分的證明。

幾十年前，暗物質(zhì)(dark matter)剛被提出來時僅僅是理論的產(chǎn)物，但是現(xiàn)在我們知道暗物質(zhì)已經(jīng)成為了宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個謎，但是如果假設(shè)它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那么由此形成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與觀測相一致。不過，最近對星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設(shè)和觀測結(jié)果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地。通過對小尺度結(jié)構(gòu)密度、分布、演化以及其環(huán)境的研究可以區(qū)分這些潛在的暗物質(zhì)模型，為暗物質(zhì)本性的研究帶來新的曙光。

大約65年前，第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。當(dāng)時，弗里茲·扎維奇發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實(shí)了這一點(diǎn)。盡管對暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)以被廣為接受了。

在引入宇宙膨脹理論之后，許多宇宙學(xué)家相信我們的宇宙是一個平行空間，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的(這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開放的)。與此同時，宇宙學(xué)家們也傾向于一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)。但事實(shí)上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質(zhì)密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質(zhì)的總量達(dá)到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。

不過，我們忽略了極為重要的一點(diǎn)，那就是正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒有暗物質(zhì)就不會形成星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團(tuán)以及星系長城。而在大尺度上能過促使物質(zhì)運(yùn)動的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會產(chǎn)生引力，因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景(CMB)中留下痕跡。然而普通物質(zhì)不可能通過其自身的漲落形成實(shí)質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因?yàn)槟菚r普通物質(zhì)還沒有從輻射中脫耦出來。

另一方面，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質(zhì)脫耦之后，已經(jīng)成團(tuán)的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì)，進(jìn)而形成了我們現(xiàn)在觀測到的結(jié)構(gòu)。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)，由于它是無熱運(yùn)動的非相對論性粒子因此得名。

在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最后一件重要的事情。對于先前提到的小擾動(漲落)，為了預(yù)言其在不同波長上的引力效應(yīng)，小擾動譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應(yīng)該是標(biāo)度無關(guān)的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的。"大爆炸"初期暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動力學(xué)出發(fā)機(jī)制來形成這樣一個標(biāo)度無關(guān)的小擾動譜(其譜指數(shù)n=1)。WMAP的觀測結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言，其觀測到的結(jié)果為n=0.99±0.04。

但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙?，F(xiàn)在已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞。但是它們對暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者，由其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。

暗物質(zhì)存在的證據(jù)

最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)存在的科學(xué)家是美國加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基。

2006年，美國天文學(xué)家利用錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡對星系團(tuán)1E 0657-56進(jìn)行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團(tuán)碰撞威力之猛，使得黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

最新發(fā)現(xiàn)：美國科學(xué)家在地下廢棄鐵礦中捕獲暗物質(zhì)粒子

2009年12月21日據(jù)國外媒體報道，美國科學(xué)家最新實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0.75公里深的鐵礦中存在著暗物質(zhì)，強(qiáng)有力地證實(shí)了暗物質(zhì)的存在。物理學(xué)家在美國明尼蘇達(dá)州北部一個廢棄鐵礦中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，這是迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)證據(jù)。暗物質(zhì)被認(rèn)為占據(jù)宇宙90%的質(zhì)量。

最被看好的暗物質(zhì)候選者

長久以來，最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說中的基本暗性粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特殊特性。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團(tuán)。壽命長意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當(dāng)，甚至更長。由于成團(tuán)過程發(fā)生在比哈勃視界(宇宙年齡與光速的乘積)小的范圍內(nèi)，而且這一視界相對現(xiàn)在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊或者暗物質(zhì)暈比銀河系的尺度要小得多，質(zhì)量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質(zhì)暈會合并形成較大尺度的結(jié)構(gòu)，而這些較大尺度的結(jié)構(gòu)之后又會合并形成更大尺度的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果就是形成不同體積和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)體系，定性上這是與觀測相一致的。相反的，對于相對論性粒子，例如中微子，在物質(zhì)引力成團(tuán)的時期由于其運(yùn)動速度過快而無法形成我們觀測到的結(jié)構(gòu)。因此中微子對暗物質(zhì)質(zhì)量密度的貢獻(xiàn)是可以忽略的。在太陽中微子實(shí)驗(yàn)中對中微子質(zhì)量的測量結(jié)果也支持了這一點(diǎn)。無碰撞指的是暗物質(zhì)粒子(與暗物質(zhì)和普通物質(zhì))的相互作用截面在暗物質(zhì)暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，并且在暗物質(zhì)暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運(yùn)動。

低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)(CCDM)被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結(jié)構(gòu)形成數(shù)值模擬結(jié)果與觀測相一致。第二，作為一個特殊的亞類，弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱，那么在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處于熱平衡的。之后，由于湮滅它們開始脫離平衡。根據(jù)其相互作用截面估計，這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是，在一些理論模型中預(yù)言了一些非常有吸引力的候選粒子。

其中一個候選者就是中性子(neutralino)，一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ)，它要求每一個已知的費(fèi)米子都要有一個伴隨的玻色子(尚未觀測到)，同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費(fèi)米子。如果超對稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同質(zhì)量。但是由于在宇宙的早期超對稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺，于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化。而且，大部分超對稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子(質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級)由于其自身的對稱性避免了衰變的發(fā)生。在最簡單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質(zhì)是由中性子組成的，那么當(dāng)?shù)厍虼┻^太陽附近的暗物質(zhì)時，地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點(diǎn)必須注意，這一探測并不能說明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還無法確定WIMP究竟是占了暗物質(zhì)的大部分還是僅僅只占一小部分。

另一個候選者是軸子(axion)，一種非常輕的中性粒子(其質(zhì)量在1μeV的數(shù)量級上)，它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處于熱平衡狀態(tài)，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中，軸子處于低溫玻色子凝聚狀態(tài)，現(xiàn)在已經(jīng)建造了軸子探測器，探測工作也正在進(jìn)行。

CCDM存在的問題

由于綜合了CCDM，標(biāo)準(zhǔn)模型在數(shù)學(xué)上是特殊的，盡管其中的一些參數(shù)至今還沒有被精確的測定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗(yàn)這一理論?，F(xiàn)在，能觀測到的最大尺度是CMB(上千個Mpc)。CMB的觀測顯示了原初的能量和物質(zhì)分布，同時觀測也顯示這一分布幾近均勻而沒有結(jié)構(gòu)。下一個尺度是星系的分布，從幾個Mpc到近1000個Mpc。在這些尺度上，理論和觀測符合的很好，這也使得天文學(xué)家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。

然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星系的尺度(Kpc)，就出現(xiàn)了不一致。幾年前這種不一致性就顯現(xiàn)出來了，而且它的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了"現(xiàn)行的理論是否正確"這一至關(guān)重要的問題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由于我們對暗物質(zhì)特性假設(shè)不當(dāng)所造成的，而不太可能是標(biāo)準(zhǔn)模型本身固有的問題。首先，對于大尺度結(jié)構(gòu)，引力是占主導(dǎo)的，因此所有的計算都是基于牛頓和愛因斯坦的引力定律進(jìn)行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質(zhì)的流體力學(xué)作用就必須被包括進(jìn)去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對此進(jìn)行量化和計算。但是在星系的尺度上，普通物質(zhì)和輻射間的相互作用卻極為復(fù)雜。在小尺度上的以下幾個主要問題。亞結(jié)構(gòu)可能并沒有CCDM數(shù)值模擬預(yù)言的那樣普遍。暗物質(zhì)暈的數(shù)量基本上和它的質(zhì)量成反比，因此應(yīng)該能觀測到許多的矮星系以及由小暗物質(zhì)暈造成的引力透鏡效應(yīng)，但是目前的觀測結(jié)果并沒有證實(shí)這一點(diǎn)。而且那些環(huán)繞銀河系或者其他星系的暗物質(zhì)，當(dāng)它們合并入星系之后會使原先較薄的星系盤變得比現(xiàn)在觀測到得更厚。

暗物質(zhì)暈的密度分布應(yīng)該在核區(qū)出現(xiàn)陡增，也就是說隨著到中心距離的減小，其密度應(yīng)該急劇升高，但是這與我們觀測到的許多自引力系統(tǒng)的中心區(qū)域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的，星系團(tuán)的核心密度就要低于由大質(zhì)量暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ陀嬎愠鰜淼慕Y(jié)果。普通旋渦星系其核心區(qū)域的暗物質(zhì)比預(yù)期的就更少了，同樣的情況也出現(xiàn)在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系，則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學(xué)模擬出來的星系盤其尺度和角動量都小于觀測到的結(jié)果。在許多高表面亮度星系中都呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu)，如果這一結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，就要求其核心的密度要小于預(yù)期的值。

可以想象，解決這些日益增多的問題將取決于一些復(fù)雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規(guī)的解釋已經(jīng)被提出來用以解釋先前提到的結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象。但是，總體上看，現(xiàn)在的觀測證據(jù)顯示，從巨型的星系團(tuán)(質(zhì)量大于1015個太陽質(zhì)量)到最小的矮星系(質(zhì)量小于109個太陽質(zhì)量)都存在著理論預(yù)言的高密度和觀測到的低密度之間的矛盾。

茫茫宇宙中，恒星間相互作用，做著各種各樣的規(guī)則的軌道運(yùn)動，而有些運(yùn)動我們卻找不著其作用對應(yīng)的物質(zhì)。因此，人們設(shè)想，在宇宙中也許存著我們看不見的物質(zhì)。

現(xiàn)已知道，宇宙的大結(jié)構(gòu)呈泡沫狀，星系聚集成“星系長城”，即泡沫的連接纖維，而纖維之間是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直徑達(dá)1~3億光年。如果沒有一種看不見的暗物質(zhì)的附加引力“幫忙”，這么大的空洞是不能維持的，就像屋頂和橋梁的跨度過大不能支持一樣。

我們的宇宙盡管在膨脹，但高速運(yùn)動中的個星系并不散開，如果僅有可見物質(zhì)，它們的引力是不足以把各星系維持在一起的。

我們知道，太陽系的質(zhì)量，99.86%集中在太陽系的中心即太陽上，因此，離太陽近的行星受到太陽的引力，比離太陽遠(yuǎn)的行星大，因此，離太陽近的行星繞太陽運(yùn)行的速度，比離太陽遠(yuǎn)的行星快，以便產(chǎn)生更大的離心加速度(離心力)來平衡較大的太陽引力。但在星系中心，雖然也集中了更多的恒星，還有黑洞，可是，離星系中心近的恒星的運(yùn)動速度，并不比離得遠(yuǎn)的恒星的運(yùn)動速度快。這說明星系的質(zhì)量并不集中在星系中心，在星系的外圍區(qū)域一定有大量暗物質(zhì)存在。

天體的亮度反應(yīng)天體的質(zhì)量。所以天文學(xué)家常常用星系的亮度來推算星系的質(zhì)量，也可通過引力來推算星系的質(zhì)量?？墒?，從引力推算出的銀河系的質(zhì)量，是從亮度推算的銀河系質(zhì)量的十倍以上，在外圍區(qū)域甚至達(dá)五千倍。因而，在那里必然有大量暗物質(zhì)存在。

20世紀(jì)30年代，荷蘭天體物理學(xué)家奧爾特指出：為了說明恒星的運(yùn)動，需要假定在太陽附近存在著暗物質(zhì);同年代，茨維基從室女星系團(tuán)諸星系的運(yùn)動的觀測中，也認(rèn)為在星系團(tuán)中存在著大量的暗物質(zhì);美國天文學(xué)家巴柯的理論分析也表明，在太陽附近，存在著與發(fā)光物質(zhì)幾乎同等數(shù)量看不見的物質(zhì)。

那么，太陽附近和銀道面上的暗物質(zhì)是些什么東西呢?天文學(xué)家認(rèn)為，它們也許是一般光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測不到的極暗弱的褐矮星或質(zhì)量為木行星30～80倍的大行星。在大視場望遠(yuǎn)鏡所拍攝的天空照片上已發(fā)現(xiàn)了暗于14星等，不到半個太陽質(zhì)量的M型矮星。由于太陽位于銀河系中心平面的附近，從探測到的M型矮星的數(shù)目可推算出，它們大概能提供銀河系應(yīng)有失蹤質(zhì)量的另一半。且每一顆M型星發(fā)光，有幾萬年。所以人們認(rèn)為銀河系中一定存在著許許多多的這些小恒星“燃燒”后的“尸體”，足以提供理論計算所需的全部暗物質(zhì)。

觀測結(jié)果和理論分析均表明漩渦星系外圍存在著大質(zhì)量的暗暈。那么，暗暈中含有哪些看不見的物質(zhì)呢?英國天文學(xué)家里斯認(rèn)為可能有三種候選者：第一種就是上面所述的小質(zhì)量恒星或大行星;第二種是很早以前由超大質(zhì)量恒星坍縮而成的200萬倍太陽質(zhì)量左右的大質(zhì)量黑洞;第三種是奇異粒子，如質(zhì)量可能為20～49電子伏且與電子有聯(lián)系的中微子，質(zhì)量為105電子伏的軸子或目前科學(xué)家所贊成的各種大統(tǒng)一理論所允許和需求的粒子。

歐洲核子研究中心的粒子物理學(xué)家伊里斯認(rèn)為，星系暈及星系團(tuán)中最佳的暗物質(zhì)候選者是超對稱理論所要求的S粒子。這種理論認(rèn)為：每個已知粒子的基本粒子(如光子)必定存在著與其配對的粒子(如具有一定質(zhì)量的光微子)。伊里斯推薦四種最佳暗物質(zhì)候選者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子?？茖W(xué)家還認(rèn)為，這些粒子也是星系團(tuán)之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質(zhì)候選者。

到現(xiàn)在，已有不少天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙中90%以上的物質(zhì)是以“暗物質(zhì)”的方式隱藏著。但暗物質(zhì)到底是些什么東西至今還是一個謎，還待于人們?nèi)ミM(jìn)一步探索。

2006年1月6日報道，劍橋大學(xué)天文研究所的科學(xué)家們在歷史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質(zhì)的部分物理性質(zhì)。目前，從事此項(xiàng)研究的科學(xué)家們正準(zhǔn)備在最近幾周內(nèi)將此項(xiàng)研究結(jié)果公開發(fā)表。

天文學(xué)家們稱，根據(jù)當(dāng)前一些統(tǒng)計資料顯示，我們平常看不見的暗物質(zhì)很可能占有宇宙所有物質(zhì)總量的95%。

在本次這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們借助強(qiáng)功率天文望遠(yuǎn)鏡(包括架設(shè)在智利的甚大天文望遠(yuǎn)鏡VLT --Very Large Telescope)對距離銀河系不遠(yuǎn)的矮星系進(jìn)行了共達(dá)23夜的研究，此后科學(xué)家們還通過約7000余次的計算得出結(jié)論稱：在他們所觀測的這些矮星系中，暗物質(zhì)的含量是其它普通物質(zhì)的400多倍。此外，這些矮星系中物質(zhì) 粒子的運(yùn)動速度可達(dá)每秒9公里，其溫度可達(dá)10000℃。

同時科學(xué)家們還觀測到，暗物質(zhì)與其它普通物質(zhì)還有著巨大的差異，如：盡管觀測目標(biāo)的溫度是如此之高，但是這樣的高溫卻不會產(chǎn)生任何輻射。據(jù)領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的杰里-吉爾摩教授認(rèn)為，暗物質(zhì)微粒很有可能不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。然而在此之前科學(xué)家們曾一貫認(rèn)為，暗物質(zhì)應(yīng)該是由一些“冷”粒子構(gòu)成的，這些粒子的運(yùn)動速度也不會太高。

暗物質(zhì)研究專家們還表示，宇宙間最小的連續(xù)存在的暗物質(zhì)片段大小也有1000光年，這樣的暗物質(zhì)片段質(zhì)量約是太陽的30多倍。科學(xué)家們還在此次研究中確定出了暗物質(zhì)微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空間如果能夠容納1023個物質(zhì)粒子，那么對于暗物質(zhì)來說這么大的空間只能容納約三分之一的微粒。

早在30年代，瑞士科學(xué)家弗里茲-茨維基就設(shè)想宇宙間存在著某種不為人所知的暗物質(zhì)。他還指出，星系群中的發(fā)光物質(zhì)如果只依靠自身的引力將各個星系保持聯(lián)接在一起，那么它們的量就必須要再增加10倍。而用來彌補(bǔ)這個空缺的就是看不見的重力物質(zhì)，即我們今天所說的暗物質(zhì)。盡管暗物質(zhì)在宇宙間的儲藏量比其它普通物質(zhì)高出許多，但有關(guān)暗物質(zhì)的性質(zhì)目前科學(xué)家們尚不能給予完整的表述。

2007年1月，暗物質(zhì)分布圖終于誕生了!經(jīng)過4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍(lán)圖”，勾勒出相當(dāng)于從地球上看，8個月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質(zhì)的輪廓。他們使出了什么好手段化隱形為有形的呢?那可全虧了一項(xiàng)了不起的技術(shù)：引力透鏡。

更妙的是這張分布圖帶給我們的信息。首先我們看到，暗物質(zhì)并不是無所不在，它們只在某些地方聚集成團(tuán)狀，而對另一些地方卻不屑一顧。其次，將星系的圖片與之重疊，我們看到星系與暗物質(zhì)的位置基本吻合。有暗物質(zhì)的地方，就有恒星和星系，沒有暗物質(zhì)的地方，就什么都沒有。暗物質(zhì)似乎相當(dāng)于一個隱形的、但必不可少的背景，星系(包括銀河系)在其中移動。分布圖還為我們提供了一次真正的時光旅行的機(jī)會……分布圖中越遠(yuǎn)的地方，離我們也越遠(yuǎn)。不過，背景中恒星所發(fā)出的光不是我們瞬間就能看到的，即使光速(每秒30萬公里)堪稱極致，那也需要一定的時間。因?yàn)檫@段距離得用光年來計算，1光年相當(dāng)于10萬億公里。

因此，如果你往遠(yuǎn)處看，比如距離我們20億光年的地方，那你所看到的東西是20億年前的樣子而不是現(xiàn)在的樣子。就好像是回到了過去!明白了嗎?好，現(xiàn)在回到分布圖上，我們看到的是暗物質(zhì)在25億～75億年前的樣子。

那么在這個異常遙遠(yuǎn)的年代，暗物質(zhì)看上去是什么樣子的呢?好像一碗面糊。而離我們越近，暗物質(zhì)就越是聚集在一起，像一個個的面包丁。這張神奇的分布圖顯示，暗物質(zhì)的形態(tài)隨著時間而發(fā)生著變化。更重要的是，這一分布圖為我們了解暗物質(zhì)的現(xiàn)狀提供了一條線索。馬賽天文物理實(shí)驗(yàn)室的讓-保羅·克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪制工作，他認(rèn)為這種“面包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質(zhì)現(xiàn)在的形狀。

那我們也在其中嗎?把所有的數(shù)據(jù)綜合起來再加上研究人員們的推測就可以在這鍋宇宙濃湯中找到我們自己的歷史。是的，是的……你可以把初生的宇宙設(shè)想成一個盛湯的大碗，湯里含有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)……在這個碗里出現(xiàn)了兩種相抗的現(xiàn)象：一方面是膨脹，試圖把碗撐大;另一方面是引力，促使物質(zhì)凝聚成塊。結(jié)果，宇宙中的某些地方?jīng)]有任何暗物質(zhì)和可見物質(zhì)，而它們在另外一些地方卻異常密集：暗物質(zhì)聚集在一起，星系則掛靠在暗物質(zhì)上，就像掛在鉤子上的畫。但可惜的是，我們對暗物質(zhì)究竟是什么還是一無所知……

暗物質(zhì)和暗能量是世紀(jì)謎題

21世紀(jì)初科學(xué)最大的謎是暗物質(zhì)和暗能量。它們的存在，向全世界年輕的科學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。 暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。

暗能量更是奇怪，以人類已知的核反應(yīng)為例，反應(yīng)前后的物質(zhì)有少量的質(zhì)量差，這個差異轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質(zhì)的質(zhì)量全部消失，完全轉(zhuǎn)化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質(zhì)能量的14倍以上。

宇宙之外可能有很多宇宙

圍繞暗物質(zhì)和暗能量，李政道闡述了他最近發(fā)表文章探討的觀點(diǎn)。他提出“天外有天”，指出“因?yàn)榘的芰?，我們的宇宙之外可能有很多的宇?rdquo;，“我們的宇宙在加速地膨脹”且“核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連”。

暗物質(zhì)是誰最先發(fā)現(xiàn)的呢?

1915年，愛因斯坦根據(jù)他的相對論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。他認(rèn)為，宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到每立方厘米5×10的負(fù)30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了，科學(xué)家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”。

一些星體演化到一定階段，溫度降得很低，已經(jīng)不能再輸出任何可以觀測的電磁信號，不可能被直接觀測到，這樣的星體就會表現(xiàn)為暗物質(zhì)。這類暗物質(zhì)可以稱為重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。

還有另一類暗物質(zhì)，它的構(gòu)成成分是一些帶中性的有靜止質(zhì)量的穩(wěn)定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質(zhì)，不會放出或吸收電磁信號。這類暗物質(zhì)可以稱為非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。

Abell 2390星系團(tuán)(上半圖)和MS2137.3-2353星系團(tuán)(下半圖)，距離我們約有20億光年遠(yuǎn)。上圖右半方的影像，是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝的假色照片，而相對應(yīng)的左半方影像，是由錢卓拉X射線觀測站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡的影像中，可以看到數(shù)量眾多的星系，但在X射線影像里，這些星系的蹤影卻無處可尋，只見到一團(tuán)溫度有數(shù)百萬度，而且會輻射出X射線的熾熱星系團(tuán)云氣。除了表面上的差異外，這些觀測其實(shí)還含有更重大的謎團(tuán)呢。因?yàn)橛曳接跋裰行窍档目傎|(zhì)量加上左方云氣的質(zhì)量，它們所產(chǎn)生的重力，并不足以讓這團(tuán)熾熱云氣乖乖地留在星系團(tuán)之內(nèi)。事實(shí)上再怎么細(xì)算，這些質(zhì)量只有“必要質(zhì)量”的百分之十三而已!在右方哈伯望遠(yuǎn)鏡的深場影像里，重力透鏡效應(yīng)影像也指出造成這些幻像所需要的質(zhì)量，大于哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢卓拉觀測站所直接看到的。天文學(xué)家認(rèn)為，星系團(tuán)內(nèi)大部分的物質(zhì)，是連這些靈敏的太空望遠(yuǎn)鏡也看不到的“ 暗物質(zhì)”。

1930年初，瑞士天文學(xué)家茲威基發(fā)表了一個驚人結(jié)果：在星系團(tuán)中，看得見的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見的。不過，茲威基的結(jié)果許多人并不相信。直到1978年才出現(xiàn)第一個令人信服的證據(jù)，這就是測量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動的速度。我們知道，根據(jù)人造衛(wèi)星運(yùn)行的速度和高度，就可以測出地球的總質(zhì)量。根據(jù)地球繞太陽運(yùn)行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質(zhì)量。同理，根據(jù)物體(星體或氣團(tuán))圍繞星系運(yùn)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(nèi)的總質(zhì)量。這樣計算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，星系的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于星系中可見星體的質(zhì)量總和。結(jié)論似乎只能是：星系里必有看不見的暗物質(zhì)。那么，暗物質(zhì)有多少呢?根據(jù)推算，暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的20—30%才合適。

天文學(xué)的觀測表明，宇宙中有大量的暗物質(zhì)，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)觀測估計，宇宙的總質(zhì)量中，重子物質(zhì)約占2%，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團(tuán)、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%，98%的物質(zhì)還沒有被直接觀測到。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當(dāng)中，冷暗物質(zhì)約占70%，熱暗物質(zhì)約占30%。

標(biāo)準(zhǔn)模型給出的62種粒子中，能夠穩(wěn)定地獨(dú)立存在的粒子只有12種，它們是電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子、光子、3種中微子、3種反中微子和引力子。這12種穩(wěn)定粒子中，電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子是帶電的，不能是暗物質(zhì)粒子，光子和引力子的靜止質(zhì)量是零，也不能是暗物質(zhì)粒子。因此，在標(biāo)準(zhǔn)模型給出的62種粒子中，有可能是暗物質(zhì)粒子的只有3種中微子和3種反中微子。

20世紀(jì)80年代初期，美國天文學(xué)家艾倫森發(fā)現(xiàn)，距我們30萬光年的天龍座矮星系中，許多碳星(巨大的紅星)周圍存在著穩(wěn)定的暗物質(zhì)，即這些暗物質(zhì)受到嚴(yán)格的束縛。高能熱粒子和能量適中的暖粒子是難以束縛住的，它們會到處亂竄，只有運(yùn)行很慢的“冷粒子”才能束縛住。物理學(xué)家認(rèn)為那是“軸子”，它是一種非常穩(wěn)定的冷“微子，質(zhì)量只有電子質(zhì)量的數(shù)百萬分之一。這就是暗物質(zhì)的軸子模型。

軸子模型是否成立，最終得由實(shí)驗(yàn)裁決。最近，還有人提出，暗物質(zhì)可能是一種稱做“宇宙弦”的弦狀物質(zhì)，它產(chǎn)生于“大爆炸”后的一秒期間內(nèi)，直徑為1萬億億億分之一厘米，質(zhì)量密度大得驚人，每寸長約1億億噸。這種理論是否成立，同樣有待科學(xué)家進(jìn)一步研究。

為探索暗物質(zhì)的秘密，世界各國的粒子物理學(xué)家正在這個領(lǐng)域努力工作，相信揭開暗物質(zhì)神秘面紗的那一天不會太遙遠(yuǎn)了。

解釋暗物質(zhì)的最新理論

單位空間(即無限分子一體積)內(nèi)產(chǎn)生物質(zhì)的概率是二分子一，產(chǎn)生的物質(zhì)叫“虛子”。為什么叫“虛子”呢?因?yàn)樗膲勖挥袩o限分之一。虛子的運(yùn)動速度為C(光速)。“超弦子”定義：相對于“虛子”的“實(shí)子”叫“超弦子”，超弦子的壽命可以達(dá)到無限。怎樣才能產(chǎn)生超弦子呢?相鄰任意個單位體積同時產(chǎn)生“虛子”，才能產(chǎn)生形狀固定的超弦子。各個虛子的速度方向是不同的，所以超弦子一產(chǎn)生就有自旋!產(chǎn)生的超弦子如果遇到其他超弦子，會由三種情況：1，互相撞碎，同歸于盡，消失。(注：只有同時存在才能永遠(yuǎn)存在，超弦子被撞掉一點(diǎn)，整個就會消失)2，由于萬有引力和其他超弦子結(jié)合。同時改變速度和自旋!3，不是有效撞擊，相碰后“各奔前程”，改變自旋與速度!請注意：產(chǎn)生的各種各樣的超弦子像被燒過的磚一樣，是一個整體，本身形狀已經(jīng)不能改變。一維的超弦子不能存在，二維同理，所以超弦子是三維的。關(guān)于超弦子的質(zhì)量：N個單位體積產(chǎn)生的超弦子的基礎(chǔ)質(zhì)量為2的N次方。根據(jù)超弦子的對稱性大小，會增加額外的質(zhì)量。質(zhì)量越大，強(qiáng)度越大。不同的質(zhì)量對應(yīng)不同的極限速度。(注：2的N次方只是一個隨便的指數(shù)，具體指數(shù)大小得由數(shù)學(xué)家去計算)。黑洞就是由質(zhì)量巨大的超弦子形成的。物質(zhì)掉進(jìn)黑洞的速度是可以超光速的?，F(xiàn)在說明什么是暗物質(zhì)和亮物質(zhì)：超對稱的超弦子(即球狀的超弦子)叫亮物質(zhì)，其他形狀的超弦子叫暗物質(zhì)。暗物質(zhì)的兩個特點(diǎn)：1，不帶電荷。2，透明(即光子可以通過)。因?yàn)榘滴镔|(zhì)形狀不規(guī)則，所以形成暗物質(zhì)的概率比形成亮物質(zhì)的概率大得多，所以暗物質(zhì)比亮物質(zhì)多得多。

美國故事影片《暗物質(zhì)》(2007)

更多中文名：流星

導(dǎo)演： 陳士錚

編?。?Billy Shebar

主演： 劉燁 (《藍(lán)宇》，《美人草》，《滿城盡帶黃金甲》，《南京!南京!》)

梅麗爾·斯特里普 (《克萊默夫婦》，《索菲的選擇》，《穿普拉達(dá)的惡魔》)

艾登 · 昆 (《This is my Father》，《Bury My Hear at Wounded Knee》)

攝影 Cinematography：Oliver Bokelberg

首映2007-01-23 美國

發(fā)行公司： Myriad Pictures Inc

片長：USA:90 min (Sundance Film Festival)

級別：USA:R

拍攝日期： 2006年6月5日 -電影介紹：

《暗物質(zhì)》的故事是從轟動國內(nèi)外的留美學(xué)生盧剛槍殺導(dǎo)師事件中獲得靈感而寫成的。劉燁飾演的中國赴美留學(xué)生劉星懷抱諾貝爾獎的夢想，在萊瑟教授(艾登 · 坤飾)門下研究宇宙學(xué)。劉星違背導(dǎo)師的意愿，一心探索暗物質(zhì)領(lǐng)域的奧秘。他憑借自己的勤奮和天才在研究上取得重大突破，卻因?yàn)樾@政治而遭遇不公，致使夢想破滅，最終走上暴力之路。梅麗爾·斯特里普在影片中飾演熱愛中國文化，關(guān)心中國學(xué)生的大學(xué)贊助人席爾瓦夫人。

電影《暗物質(zhì)》反映了人們?nèi)绾握_面對理想和現(xiàn)實(shí)的差距的問題，也觸及到中美文化之間差異和缺乏相互理解的現(xiàn)實(shí)。影片在2007年日舞電影節(jié)上大受好評，獲得斯隆獎及兩萬美元獎金。影片原計劃2007年八月在北美公映，由于三月弗州槍殺案的影響而推遲到2008年春季。

盧剛事件背景：

1991年11月1日萬圣節(jié)這天，中國留學(xué)生盧剛在剛剛獲得衣阿華大學(xué)太空物理博士學(xué)位的時候，開槍射殺了3位教授和副校長安-柯萊瑞以及一位和盧剛同時獲得博士學(xué)位的中國留學(xué)生山林華。槍殺五人之后，盧剛隨即當(dāng)場飲彈自盡。

開槍殺人的盧剛是北京市人，出生于普通工人家庭，18歲考入北京大學(xué)物理系，1984年通過李政道主持的中美物理學(xué)交流計劃選拔，畢業(yè)后旋即以交換學(xué)生身份公費(fèi)赴美攻讀博士學(xué)位，就讀于衣阿華大學(xué)物理與天文學(xué)系，時年22歲。盧剛畢業(yè)時未能獲得最佳論文獎，并面對巨大就業(yè)壓力，最終釀成悲慘血案。

1991年11月4日，安-柯萊瑞的3位兄弟以她的名義捐出一筆資金，宣布成立安-柯萊瑞博士國際學(xué)生心理學(xué)獎學(xué)基金，用以安慰和促進(jìn)學(xué)生的心智健康，減少人類悲劇的發(fā)生。

·《暗物質(zhì)》在2007美國圣丹斯電影節(jié)獲得探討科學(xué)及科技問題的Alfred P.Sloan獎

影片評價

圣丹斯電影節(jié)，上百部影片中，《暗物質(zhì)》是第一部值得看的。

——《洛杉磯時報》

想象不到的動人，感動到流淚的一部影片。

——《綜藝》

幕后

電影《暗物質(zhì)》反映了人們?nèi)绾握_面對理想和現(xiàn)實(shí)的差距的問題，也觸及到中美文化之間差異和缺乏相互理解的現(xiàn)實(shí)。影片在2007年日舞電影節(jié)上大受好評，獲得斯隆獎及兩萬美元獎金。影片原計劃2007年八月在北美公映，由于三月弗州槍殺案的影響而推遲到2008年春季。

花絮

《暗物質(zhì)》在2007美國圣丹斯電影節(jié)獲得探討科學(xué)及科技問題的Alfred P.Sloan獎。

劉燁自曝拍攝花絮

以為劉燁是功夫巨星

《暗物質(zhì)》中只有兩個中國人，一個是導(dǎo)演陳士爭，另一個就是男一號劉燁。劇組里的美國工作人員看到兩位好萊塢“大腕”梅麗爾·斯特里普和方·基默來給劉燁配戲時都驚訝不已，“初進(jìn)劇組的那幾天，氣氛非常詭異，他們私下里都在議論我是不是從中國來的功夫巨星，因?yàn)樵诿绹挥兄袊鋫b片還算有點(diǎn)江湖地位，至于讓美國的一線明星在一個中國演員領(lǐng)銜的美國電影中配戲，在好萊塢絕對是一件稀罕事。”

斯特里普說“Nice!”

劇組開機(jī)后的第二周，梅麗爾就和劉燁上演了一場在全片中極為重要的對手戲。受到導(dǎo)師陷害的留學(xué)生劉星到社區(qū)做義工……上人家里推銷商品，看到聰明絕頂?shù)膭⑿菧S落到這個境地，一直對他懷有復(fù)雜情感的梅麗爾淚如雨下。劉燁興奮地回憶說，“梅麗爾的表現(xiàn)非常生活化，但是極具爆發(fā)力，那場哭戲只拍了一條就過了，當(dāng)時她自己還想再拍一條，但導(dǎo)演表示不用了。”

劉燁本人在那場戲中也有不俗的表現(xiàn)，“拍了兩周的戲，梅麗爾那天第一次對我說，Liu，You’re very nice!”

每周只上五天班

《暗物質(zhì)》在美國開機(jī)已經(jīng)有兩周的時間，除了拗口的臺詞讓劉燁有些撓頭，“一切都很愜意”。最讓劉燁感慨的是，劇組嚴(yán)格執(zhí)行“五天工作制”，讓他每周都有兩天的時間享受周末。劉燁說，“美國的工會非常厲害，如果制片方要讓演員多干幾個小時，就會被告上法庭，所以即使是像這樣一部投資并不高的藝術(shù)影片也會不折不扣地執(zhí)行各項(xiàng)工會規(guī)章。”

否認(rèn)《暗物質(zhì)》有損國人形象

《暗物質(zhì)》講述了中國留學(xué)生槍殺導(dǎo)師，很多人懷疑本片是否對中國人形象有損。劉燁經(jīng)紀(jì)人對此表示：“首先這部電影并不是大家想象中的負(fù)面、侮辱什么的，跟盧剛事件也沒有關(guān)聯(lián)，更多的是講一個人的發(fā)展，說了很多人性的東西，人在當(dāng)時的環(huán)境下，各種原因促成了他走上了極端，寫得很客觀。之前我也怕有問題，所以特意要來劇本看了，特別激動，劉燁看了也很喜歡。我覺得沒看過劇本或者電影就沒有發(fā)言權(quán)，妄加猜測不好，其實(shí)同類型的電視劇國內(nèi)也有。最早是美方通過獵頭公司要了幾個亞洲演員的資料，然后給我打電話要了劉燁的一些資料。一兩個月后導(dǎo)演就過來見面，他是一個美籍華人，原來是做舞臺劇的，這是他第一部電影，下了很大功夫。而且整部戲全寫劉燁一個人，斯特里普和方·基默為他搭戲做綠葉，是很難得的鍛煉機(jī)會。不過劉燁這次扮演的仍舊是一個不幸福、很壓抑的人，跟以前他的作品相似。”