暗物質之謎
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- 2020-07-03 15:25:38
摘要：
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【簡介】
現代天文學觀測表明，宇宙中最主要的物質組分是暗物質，其占據了宇宙物質總量的約85%，而我們所熟知的由質子、中子、電子組成的普通物質，只占15%。通過大量天文觀測，天文學家不僅已清晰給出了暗物質存在的有力證據，而且可以比較精準地測量出暗物質在宇宙空間中的分布。但對暗物質究竟是什么，人們迄今了解非常有限。揭開暗物質之謎，將是本世紀最偉大的一項科學發現。本次沙龍邀請國家天文臺SKA科學部主任秦波研究員和德國波恩大學博士后研究員陜歡源，在沙龍上介紹了暗物質研究領域的概念、發展歷史、研究進展，并對相關問題進行討論。
【主持人致辭】
汪克敏：歡迎大家的到來。現在天文學的觀測表明，宇宙中最主要的物質組成是暗物質，其占據了宇宙物質總量的約85%，而我們所熟知的由質子、中子、電子組成的普通物質占15%。但暗物質究竟是什么？如何揭開暗物質之謎？是大家關心的熱點。下面請秦波研究員作主旨報告。
【主旨報告】
秦波：暗物質之迷——世紀難題
一、引言
各位專家好！新觀測手段，打開全新窗口，對舊知識體系有顛覆性和革命性。今天的物理學正處于一場重大變革的前夜。一百多年前，物理學天空的“兩朵烏云”催生了相對論和量子力學。物理學經過百年的輪回，又一次處在了一個十字路口。揭開“暗物質、暗能量”之謎，將是人類認識宇宙的又一次重大飛躍，可能導致一場新的物理學革命。中國應抓住歷史機遇，在這場物理學的偉大變革中有所作為。
圖1 X射線天文學：星系團A2029（X射線vs 光學）
二、精確宇宙學
現代宇宙學的研究，對宇宙的一些基本問題有了一些了解：
1.宇宙的幾何是平坦的還是彎曲的？非常平坦，誤差僅2%
2.宇宙是在不斷膨脹的：從任何一個觀測者看，星系都在向外飛去，其速度與這個星系與觀測者的距離成正比。這個比例系數就是描述宇宙膨脹的基本參量——哈勃常數
H0 = 70.1 ±1.3 km/s/Mpc
3.宇宙起源于一個致密熾熱的奇點的大爆炸，宇宙的年齡 137 ±1 億年
4.宇宙的基本組分（按照質能關系折算）
暗物質：占22%
暗能量：占74%
普通物質：僅占4%
圖2 宇宙的基本組分
在慶祝宇宙學成就的同時，發現我們對宇宙的認識竟然如此少！人類的現有知識僅描述了宇宙組分的4%，而對~96%的組分基本不了解。
三、探測暗物質
今后十年、二十年的必然趨勢： 由天文觀測轉向物理探測（即暗物質實驗）在實驗室（地下、地面、空間）捕捉和探測暗物質粒子，是最終揭開暗物質之謎的必由之路，自九十年代末以來，國際上暗物質實驗已蓬勃展開。
圖3 三種探測暗物質的方法
當前物理學界探測暗物質的方法主要有三種：
● 加速器物理方法：
· 利用對撞機產生暗物質：歐洲核子中心的LHC（大型強子對撞機），通過實驗分析是否有暗物質產生。
● 非加速器物理方法：
· 直接探測方法：測量暗物質粒子與普通粒子之間極其罕見的散射事例。
· 間接探測方法：測量暗物質粒子湮滅所產生的次級粒子。如 γ光子，正負電子e+ e-, 中微子。
圖4 全世界暗物質地下實驗分布（暗物質直接探測）
目前國際上已有大量暗物質實驗在進行，基本上是非加速器實驗。相對于加速器實驗，非加速器實驗造價十分低廉。
我國暗物質探測實驗的現狀：
■ 起步相當晚，進步很大。
■ 利用得天獨厚的自然條件優勢：中國錦屏隧道（當今世界最得天獨厚的暗物質地下實驗室）。
■ 前景廣闊（從跟隨到引領，暗物質空間探測，中國暗物質粒子探測衛星---悟空的重要發現---1.4TeV附近的尖峰，暗物質湮滅信號）。
圖5 中國錦屏隧道—— 當今世界最得天獨厚的暗物質地下實驗室
圖6 我國發射暗物質探測試驗衛星—“悟空”
謝謝大家！
【邀請報告】
陜歡源：引力透鏡---宇宙中的“照妖鏡”
各位專家上午好！暗物質只參與引力相互作用，而不參與電磁相互作用，即不能發光，無法通過傳統天文觀測手段探測到，因此不依賴于天體“發光”的觀測手段就顯得尤其重要。根據愛因斯坦廣義相對論，當背景光源發出的光在引力場（包括重子物質和暗物質）附近經過時，光線會像通過透鏡一樣發生彎曲，這種現象被稱為引力透鏡效應。光線彎曲的程度主要取決于引力場的強弱。通過分析背景光源的扭曲，可以研究暗物質主導的引力場性質，從而一窺“黑暗”宇宙的真面目。
一、暗物質問題提出及發展歷史
◇ 1933年，美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茲·扎維奇（Fritz Zwicky）通過對后發座星系團的研究，發現星系外側的旋轉速度較牛頓引力預測的速度要快，指出暗物質存在。
圖7 Fritz Zwicky，1898 -1974
◇ 隨后幾十年的觀測事實，大尺度星系邊緣物質運動速度不是減慢而是與中心可見物質稠密區一樣快，證實了有大量看不見的物質（暗物質）存在，并且有力的作用。
圖8 預示暗物質的存在 — 星系旋轉曲線
二、探測暗物質的方法---引力透鏡
根據愛因斯坦的理論，質量使得時空彎曲，光線沿著時空中最短路徑行進。因此恒星在天空中真實的位置與視線延伸有偏轉。這就是引力透鏡現象。1919年5月29日著名的愛丁頓團隊日全食觀測，驗證了愛因斯坦光線偏轉（太陽在明亮的畢星團前，使得恒星的位置偏離夜間觀測位置）。由于暗物質雖然看不見，但是也有引力作用，因此這一觀測方法可以應用到大尺度宇宙學，用來觀測引力透鏡現象的前景物質，即大質量天體（包括暗物質）。
從20世紀70年代開始的引力透鏡觀測方法，目前已成為暗物質研究最重要的工具之一。
圖9 引力透鏡
圖10 天文觀測發現的引力透鏡現象
【討論與交流】
主持人：感謝兩位博士的發言。咱們開始討論階段，可以自由發言提問。
鄒振隆：暗物質有幾個參數可能是簡并的。你圖上的排除線，排除的是哪個參數？
秦波：縱坐標是作用截面，橫坐標是質量。
鄒振隆：是理論上預言的？
秦波：實驗有獨立性，不管理論預言怎么樣，都可以繼續測。
鄒振隆：那就是不管質量如何，主要約束截面了？
秦波：不是，是在不同的質量段，而且很敏感，原因是我們實驗用靶粒子是超過一個截面的，原子核大概是100倍氫原子。暗物質粒子打過來的時候將靶原子核打飛，它越重，信號越好，所以設計的時候，要用核比較重的惰性氣體。
鄒振隆：也是改善靶標的性質？
秦波：這就是清華他們賭的那個，所有的都是針對大質量，比如說100倍的氫原子質量，往上走的，所以設計在低質量端是個缺陷，對低質量的敏感，它可以做到最好，它押的是這個。
蔣世仰：太陽系里面的暗物質，一定是比太陽質量的1%還要少，說不定暗物質非常稀有。
秦波：九大行星的開普勒運動速度曲線，說明太陽系里暗物質的確非常稀有，但星系轉動速度曲線和星系團速度彌散分布表明暗物質在大尺度上占主導。
蔣世仰：就是說知道是兩種不同的分布曲線，說不定反過來證明，在太陽系探測到暗物質概率很低，會不會最后是浪費錢。
藍松竹：我有個問題，像星系，重子物質分布大尺度上是網狀結構的，暗物質會不會也是這樣分布？
秦波：沒錯，是這樣的。
藍松竹：是不是也是伴隨重子物質一起分布的呢？
秦波：大尺度上是這樣的。
林元章：天文上的觀測比較肯定。我的問題，現在物理學界相信暗物質存在的，有百分之多少？
秦波：全部。
林元章：那就是說相信天文學的結果。
秦波：當然，必須相信，沒有選擇。
藍松竹：還有一個問題，現在是所謂21世紀的兩個幽靈，一個是暗質量、一個是暗能量。那么它們二者之間有沒有物理學上的聯系？
秦波：這個理論家在做，比如說是不是有什么關聯，但目前一般的觀點，這兩件事是分開的，暗物質就是物質，暗能量是真空的排斥作用，只要是真空的話它就在排斥，而暗能量的本質更不清楚。
王柏懿：我們更是門外漢了，剛才聽了天文臺的老同志都對暗物質好像感覺是有點疑問，那我們作為小學生，就先接受大家的看法，暗物質是有的。我的問題都很小兒科，第一，到底暗物質在宇宙里怎么分布？是均勻分布還是像星系有螺旋那樣？這個我特別想知道。第二，就是說你們剛才講很多，我們普通物質，有幾個說法，一個是普通物質不到15%，可您剛才又給了我一個數據，就是說暗物質是22%，暗能量74%，普通物質4%，這個差太多了，我不知道應該接受哪一個百分比？第三個問題，你剛才說到這個數密度，在每立方厘米里面，我們周圍，每立方厘米是0.4個氫原子，就在我們的周圍，每立方厘米的氫原子的數是多少？這樣我就有比較確切的概念了，到底是0.4個數密度大概是多少？還有你剛才講到這個，我可以通過一些物理的監測，而不是通過天文的方法來探測這個暗物質的存在，那么你講了一個湮滅條件，談到湮滅的話會發出光子，正負質子一碰就湮滅了，所以我不知道它的湮滅和我們常常認識到的淹沒是什么關系？
另外暗物質和暗能量，一般我們理解，沒有靜止質量就是運動質量，那么所謂的暗能量是指沒有靜止質量的暗物質具備的占這么多，還是怎么樣？我就是一點都不懂，提一些小兒科的問題，想通過這個事兒知道一些。
秦波：首先暗物質不算在已知的物質組分里。現在這個圖餅叫宇宙能量的總組分，暗物質和普通物質（都可用質能關系折算為能量）一樣驅使宇宙收縮，而暗能量驅使宇宙膨脹，兩個共同作用，決定宇宙是怎么樣運動的，所以在宇宙學里，就能量組分而言，總是把暗能量算一塊（占74%），普通物質算一塊（占4%），暗物質算一塊（占22%），如將普通物質和暗物質打包（26%），里面暗物質占85%，普通物質約15%。
王柏懿：暗物質的所占的能量，那我就理解了，我現在搞明白了。那你的標題不對，你不能寫基本組分，那應該說是它能量的分配，不同組分的能量的分配，我剛才很仔細看你是組分，我看的是成分。你是指能量的分布，暗物質占多少暗能量。
秦波：關于粒子湮滅的問題，是說它都有一個很小的，兩個碰到一塊兒的時候，它有一定的概率，包括γ光子，正負電子、中微子都有。
王柏懿：你指的湮滅是自己之間，所有它倆碰上了就湮滅。那你又說暗物質的粒子是沒有碰撞的。
秦波：這個是非常非常小的概率，極其小的概率。
孫克忠：為這個報告，我特意看了一些暗物質的知識，我看到日本測的暗物質在地下一千米。
秦波：他們指的是等效水。
孫克忠：暗物質穿透能力大概多大？
秦波：地球都可以穿。
孫克忠：為什么要在洞里？
秦波：要屏蔽宇宙線。這個很麻煩的東西，要找非常非常純凈的一個實驗室，這個很難很難。
單煥炎：我是外行，對暗物質、暗能量還有一個反物質，對吧，我的印象當中反物質比較好理解，對暗物質、暗能量只是知道一些很奇奇怪怪的特性，這些特性究竟怎么得出來的？根本什么理論角度非要提出暗物質這個理論？你剛才也講到，從星系里面的運動的速度，一般的引力做不到的，好像這點的說服力，我覺得還不是太夠，從理論上來說，我覺得不是太夠。
上個世紀初，光學里面有個黑體輻射，當初也是一個物理學的難題，解釋不了這個曲線為什么是這個形狀的？人家理論物理學家去推，一個叫維恩的人只推到一半，是符合的，另外一個人，是瑞利金斯，根據當時的理論推的，推的另外一段，當時就不能全部的把共識完整的推導出來，結果是普朗克提出了量子概念，符合得非常準確，所以這個說明了什么東西呢？這些速度，不是像我們原來的引力場這個服從的規律的話，它說不定還隱含另外一種規律，不一定是暗物質、暗能量。這是打個問號，我的話不一定對，這是我的一個疑問，一個問題。這好像給我一些當年在光學里面，要提出一個以太，非要用以太光才能傳播，當初的理論就是這樣的，后來否定掉了以太的理論，所以剛才呢，我有一個問題呢，你既然得出了這些理論依據，一定要讓我相信，是準確的從哪兒得出來的，而且15%和18%，比例怎么得出來的？還有提出暗物質的奇奇怪怪的特性，這是我們平時一般比較難以接受的這樣一些特性，這是一個問題。
單煥炎：能量是個標量，有個交大的教授說，標量沒有負值，我覺得這點是錯誤的。另外一個，你看看啊，你地球的引力的勢能就是負的。還有一個，氫原子的能級也是負的。
秦波：那只是為了標定，定義無窮點為零，兩碼事兒。
何遠光：根據秦老師講的，我認為我們現在是測不了的，你這個特別小，可以穿過去，因為你靶子很小，粒子很重，速度很快，那打什么東西都打出去了。
秦波：就是說咱們一定要拋棄掉你想象中的它的幾何，這個東西到底大小有多大，粒子物理全部是用的反應截面，截面就是概率，這個東西是一個定量的描述。所以就看概率有多大。
單煥炎：那就是說暗物質和正物質還是起碰撞作用，就是概率小而已。
秦波：把強力扔掉，把電磁力扔掉，就是個弱力。除了引力以外，存在比較弱的弱相互作用。就是四大相互作用里面，它有兩種相互作用。
藍松竹：我覺得你那個碰撞實際上就是個偶然事件，我們探測這個偶然事件發生的概率有多大？如果碰撞概率非常小，就說明密度一定很低。另外呢，我還覺得是不是可以這樣理解？就是現在我們叫暗物質也好，暗能量也好，是因為我們那么多的觀測，解釋不了，說有一個東西，我們不知道的，所以這樣就加暗物質了，暗能量了。
蔣世仰：是這樣的。
藍松竹：你比如說剛才說的那個星系的運動，要按理論應該是逐漸的衰弱下來，現在實際觀測不是啊，你總得給它一個解釋吧，那還有一團物質影響了它，使得它變成了這樣，所以這樣的話，就是說我們是根據觀測的結果，現有的理論又解釋不了，怎么辦呢？叫暗物質也成，黑物質也成，只不過因為已經說了把那個叫暗物質了，就沿用下來我們叫暗物質。
秦波：這是我們的結果，這下面的實驗都是沒做的實驗，液氙作為靶子，惰性氣體，比如說等一年，它有一個反沖，有好幾種信號，大概三種信號，都確認了以后，大概認為這是一個有效的信號，等了一年，說明這個概率是比較低的，排除掉了，如果是在這個位置，那就一定探測到了，我沒探測到，就表示它的作用截面和這個暗物質質量的參數空間的話，做得越低，越小，說明你的靈敏度越好，我們測一年也沒測出來。正結果負結果都是很好的實驗，正結果就拿諾貝爾獎，負結果就是一個約束。
林世昌：因為我搞電子的，電子也看不見，現在能看見，而且電子確認有用，量子也上來了，那么能不能預示一下。
秦波：現在先認識它是什么東西再說。
林世昌：對我們人類會起太大的作用？
秦波：這個問題太早了，得知道它是誰，這已經是不得了的事情，100年物理最大的事情。
藍松竹：現在觀測，根據現象賦予了一些性能，至于它本身還有什么性能，根本就不認識。
林世昌：好多人說認識早著呢，到底有沒有靈魂，有沒有氣場？那么暗物質可能是個科學，不能相比，到現在為止，說老實話，我還不知道什么玩意兒？到85%，這個85%怎么來的？
秦波：是從觀測星系團得來的，宇宙中沒有比它大的體系了，這里面的組分就肯定是代表性了，我覺得測這里面的普通物質多少、暗物質多少，都可以很精確的測出來，不用懷疑，15%。
主持人：由于時間關系，咱們的討論就到這兒，我們以后還可以交流，時間關系今天討論到這兒。
