暗物质发现简史(上)

在欧洲原子能机构（CERN）的大型强子对撞机实验室从事基础科学实验的研究人员发现了希格斯波色子，当CERN的总干事长罗尔夫·霍培尔被问及到下一个将要发现的粒子时，他不加思索地说到是暗物质粒子。物理学家将暗物质粒子作为优选的对象之一，原因在于暗物质在宇宙的存在比普通物质更为普遍，暗物质相当于普通物质数量的5倍，它们似乎以团块形式“漂浮”在宇宙中，构成了宇宙大而全的“脚手架”，依托暗物质的框架，可见的普通物质聚拢为美轮美奂的星系。

科学家确认了暗物质的存在，但不能确定它们的性质，他们认为暗物质的组成方式如同普通物质，暗物质和普通物质都由基本粒子构成。暗物质概念时常出现在媒体中，好似外星人概念经常出现在新闻报道中，暗物质和外星人概念在媒体出现的频率十分相似。时常传出世界各地实验室发现某种潜在暗物质信号的消息，但科学和媒体界人士都对暗物质的发现时刻充满期待，科学家因为暗物质的发现而获得物理诺奖，这已没有什么悬念。

科学家迄今没有发现暗物质粒子，但他们早已发现了暗物质现象。二十世纪三十年代，奥地利的天体物理学家弗里茨·茨维基观测了后发座星系群中转动的星系，后发座星系团由1000多个星系组成，距离地球3亿光年，茨维基以星系发出的光线为参考估算了星系质量，他非常惊奇地发现，估算的星系质量不足以维持自身的转动速度，由于缺少足够的物质引力，星系将会分崩离析。茨维基计算出至少有相当于星系质量400倍的额外物质才能将星系维系成稳定的结构。神秘兮兮或看不见、摸不着的物质就是“暗物质”，它们构成了星系物质的主要部分，而主要部分的“暗物质”和次要部分的普通物质构成了星系的总物质。

在兹维基提出“暗物质”概念之后的很长时间，似乎“不切实际”的概念在一定程度上被科学人士忽略了，直到二十世纪七十年代，美国女天文学家维拉·鲁宾通过观测证实了茨维基的发现，她仔细检测了作为银河系邻居的仙女座星系中恒星的转动速率，一般而言，星系边缘的恒星受到较小的引力，它们绕星系中心的转动速度较慢，而星系中心附近的恒星受到很大引力的拖动，它们绕星系中心的转动速度很快，然而，鲁宾感到困后不解，星系边缘的恒星和星系中心的恒星以几乎相同的速度绕中心旋转。

天文学家鲁宾假定，仙女座星系被暗物质包裹，不同距离的恒星绕中心的旋转速度就会产生异常，暗物质概念很好地解释了星系内恒星公转速速的异常现象。银河系和仙女座星系的周围可能被一大圈暗物质“晕”包围。其它的天文观测成果证实，星系和光线在空间穿越时出现了怪异表现，未知的暗物质引力解开了天文学家的迷惑。鲁宾和茨维基认可“暗物质”的存在，但科学家没有发现它们，只是发现了它们的引力效应。由于统计学或难以排除的其它原因，可能无需假设“暗物质”的概念，但任何替换性解释都要得到观测的证实。

1998年，埋藏在意大利格兰·萨索山洞的暗物质探测器在实验数据中发现了某种有趣的信号。DAMA实验项目的科研人员探测到了疑似暗物质的奇异粒子，它的奇特之处是数量密度出现了周期变化，粒子密度呈年度性增减，6月份达到密度的高值，12月份达到密度的低值，DAMA实验项目的科研人员联想到天文学家正在寻找暗物质的“晕”，银河系周围包裹了一大层昏暗的“晕”，银河系内部也充斥了暗物质“气体”，地球在绕太阳转动时穿越了暗物质“气体”，太阳系绕银心转动时不间断地穿越了层层叠叠分布的暗物质。

DAMA实验项目的科研人员解释了非常奇特的暗物质存在方式，在半年之内，如果地球沿太阳和太阳沿银河系的旋转方向相同，那么“暗物质”粒子的密度增加；在半年之内，如果地球沿太阳和太阳沿银河系的旋转方向相反，那么“暗物质”粒子的密度降低，地球和太阳的结合速率在两者的旋转方向一致时表现得更快，地球和太阳的结合速率在两者的旋转方向不一致时表现得更慢。DAMA的实验数据似乎表明，地球和太阳在转动过程中穿越了“暗物质晕”的包裹层，然而存在实验漏洞的可能。

除了暗物质晕的设想，还存在其它可能的解释，科学家不能完全确认，地球和太阳在公转运动中穿越了看不见的暗物质媒介物。在意大利进行的DAMA实验被称为DAMA/LIBRA，实验室项目的科研人员仍在继续寻找某种粒子密度的年度增减现象。暗物质成为了目前科学界热门的搜索对象，在世界各地出现了多个暗物质的实验项目，DAMA项目在地面进行，搭载在国际空间站的质谱仪和中国的“悟空”号暗物质卫星则在太空搜索暗物质的信号。

（编译：2018-9-1）