爱因斯坦认为广义相对论更适合用来研究宇宙学 [转载]暗物质一一我们知道多少

要说21世纪初科学界最大的谜团是什么？那就是暗物质和暗能量，暗物质存在于人类已知的物质之外，科学家们普遍认为它是存在的，但又不知道它是什么？著名美籍华裔物理学家，诺奖获得者李政道教授认为：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命”。为引发人类对暗物质探索及研究的关注，国际粒子物理学界，凝聚态物理学及天体物理学界共同确定将2017年10月31日定为“国际暗物质日”。由此可见对暗物质之重视。

理论物理学往往超前于实验物理学，这样的事例不胜枚举，如黑洞，中微子，正电子，希格斯玻色子，引力波等。都是理论推导得出的预言，而后被实验物理学的观测实验所证明。暗物质也一样，当理论无法解释现象时提出的假设，这要追溯到上世纪初，1915年爱因斯坦提出广义相对论，根据广义相对论推导，宇宙应是有限的和封闭的，宇宙的形状取决于宇宙物质的多少。科学家们认为：宇宙平均密度存在一临界值，如果高于临界值，宇宙应是封闭有界的，而低于这临界值则宇宙应是散发的。如果爱因斯坦这理论成立，那么根据计算，宇宙中物质平均密度应不少于5x10的负30次方，可后来根据众多科学家的观测和计算，宇宙的实际平均密度远小于这个数，仅为理论计算值的百分之一左右，这意味着要么爱因斯坦的论断不成立，要么是宇宙中绝大多数物质“失踪”了？当然宇宙中的物质并未失踪，而是以一种人类看不见摸不着，甚至现有观测手段也无法探测到的物质存在，后来的科学家们将其称作“暗物质”。

最早提出证据并推断暗物质存在的是瑞士天文学家弗里兹.扎维奇，那是在1932年，弗里兹在观测螺旋星系旋转时，发现星系外侧的旋转速度远高于牛顿引力定律预期值，故推测在星系附近存在庞大物质拉住星系外侧天体，使其不至于离心力过大而脱离星系。到了上世纪70年代，科学家们根据对大型天体，如星团，星系等运行规律及引力效果的观测发现，常规物质不可能引起如此大的引力，因此暗物质存在的理论被广泛认同。在此后的很多年里，天文学家们对宇宙中暗物质的分布及数量进行了众多的推算，得出的结论是：宇宙中暗物质和暗能量占宇宙物质总量的95%，而通常所观测到的普通物质仅占5%左右。

2006年，美国天文学家用钱德拉X射线望远镜观察1E0657星系时意外发现星系团碰撞过程，其碰撞威力之大，使其暗物质和正常物质分离，由此发现暗物质存在的直接证据。2007年1月，70位研究人员，经过4年多努力终于绘制出暗物质分布的三维“篮图”，这张图是利用引力透镜的原理获得的，参与此项工作的马赛天文物理实验室的科学家让.保罗认为，这种“面包丁”形状的暗物质自25亿年来至今没有多大改变，所以我们看到的也就是暗物质的形状。

“面包丁”形状的暗物质三维篮图

2007年5月，美国霍普金斯大学的科学家小组，利用哈勃太空望远镜观测到遥远星系团中呈环状分布的暗物质，这是证明暗物质存在最有力的证据。2009年12月科学家在souden煤矿中发现暗物质，同时在地下氙等诸多实验中也发现暗物质信号。2010年我国在位于四川雅砻江锦屏水电站附近建成了锦屏地下实验室，垂直岩石覆盖面达2400米，这是世界上防止各类辐射最洁净的实验室。现已有清华大学和上海交通大学研究暗物质团队和暗物质探测设备进住。2013年4月诺奖获得者，美籍华裔物理学家丁肇中教授在日内瓦欧洲核子研究中心发布科研成果，他们在阿尔法磁谱仪项目中捕捉到40万个正电子（正电子属反物质），很有可能来自宇宙深处暗物质，因为在证明暗物质存在实验的6个相关特征中，有5个得到确认。

哈勃太空望镜拍下的暗物质图像

2015年12月，我国发射了专门用于探测暗物质的卫星“悟空”号，经过近两年的太空运行观测，在暗物质探索方面取得重大成果，就在前不久的11月27日，暗物质探测项目的首席科学家，中科院南京紫金山天文台台长常进在中科院新闻发布会上宣布，悟空号卫星经过530天的太空探测，累计采集了28亿个高能电子宇宙射线，获得世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱，暗物质存在的信息将蕴藏在其中。说到此处需要科普一下，否则将是云里雾里，不知所云。根据科学家们推论，暗物质粒子在碰撞时会发生“湮灭”并转化成高能电子，这些高能电子伴随着宇宙射线在太空传播，所以用高精度，高能段的宇宙射线探测仪器，捕捉暗物质信号是最有效的探索工具，而我国研制出的这台探测仪器是世界上精度最高的，根据已知物理定律，来自外太空的粒子能谱（粒子数和能量的变化关系）有其特定的分布规律，能谱图上显示出随着能量升高而粒子数减少（见下图）如能谱发生异常，则反映出有新的物理原因，如上所述，当暗物质粒子碰撞湮灭产生的高能电子就会在能谱图上出现拐折或峰值，这一般只会在高能段宇宙射线能谱中才有可能出现，而悟空号上的探测仪就是在50亿到10万亿电子伏特高能段范围内探测。常进说，能谱图上在1.4万亿电子伏特（1.4TeV)处出现拐折，这很有可能是暗物质信号，为进一步确定有待数据积累和观测。爱因斯坦认为广义相对论更适合用来研究宇宙学有关论文于11月30日在国际“自然”学术期刊上发表。

高能电子宇宙射线能谱图（红点是悟空号卫星探测，篮点为

美国费米卫星探测，绿点为丁肇中阿尔法磁谱仪数据）

中国悟空号暗物质探测卫星

至此，我们可以说暗物质是存在的，但对其本质知知甚少，比如它的结构，特性，以其对宇宙，对常态物质世界和对我们人类有什么影响，至今对暗物质较为普遍的认识有：它的密度非常之小，而数量非常庞大，组成暗物质的粒子比我们已知的基本粒子小而轻，暗物质遵从引力作用，但它不与光和电磁波发生干扰，它不带电荷，暗物质无疑促成现今宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不可能形成星系，恒星和行星，更谈不上人类了。可以肯定，对于这个世界或者更应说是整个宇宙，暗物质是最重要的成份，人类和我们已知的物质世界游弋在暗物质的海洋里。爱因斯坦认为广义相对论更适合用来研究宇宙学