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科学我们为什么要找暗物质？


_本文原题：我们为什么要找暗物质？
国际暗物质探测实验组近日发布了吨级液氙探测器Xenon-1T最新的实验结果 ， 显示其测量到了一些超出预期的事例 ， 很有可能看到了暗物质粒子的踪迹 ， 一时间引发科学界广泛关注 。
寻找暗物质是美国《科学》杂志2020年年初提出的可能成为2020年头条的十大科学新闻之一 。 到目前为止 ， 科学家只观测到暗物质存在的间接证据 ， 尚未以确定的方式直接探测到暗物质粒子 。
宇宙中的绝大部分是黑暗和混沌的 。 随着精确宇宙学时代的到来 ， 大量前所未有的高精度天文观测给人类的科学认识带来了新挑战：宇宙中的绝大部分物质是由一种在宇宙学时间尺度上稳定、不发光、非相对论性运动的、有质量的粒子构成 ， 简称暗物质 。 对于暗物质的探寻之路 ， 人类已经走了上百年 。
科学我们为什么要找暗物质？
本文插图
2015年12月17日 ， 搭载暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空
在身边 ， 不在眼前
黑夜看似虚空 ， 又充满神秘 ， 令人浮想联翩 。 在科学家眼里 ， 夜空的黑暗也是不寻常的 。 早在1823年 ， 德国物理学家海因里希·奥尔贝斯就做了一个简单的推理：假设发光的星星在宇宙中是均匀分布的 ， 再假设宇宙是无穷大的 ， 位于远处的星光虽然会更暗淡 ， 但远处包括的星星数目也更多 ， 这两个效果刚好抵消 ， 结果应该是远处任何一个距离内的星星照射到地球的光线加起来是一样多的 。 如果把无尽的距离内的星光都加上 ， 那黑夜应亮如白昼 。
这是多么严谨而荒谬啊 。 正是这个著名的佯谬 ， 使人类第一次严肃地考虑一种可能性：我们的宇宙其实是有限的 。
如果黑暗里藏着一些东西 ， 人类有办法知道吗？答案是肯定的 。 1845年 ， 法国天文学家勒维列 ， 对当时已知的天王星轨道和牛顿万有引力定律不完全符合的问题进行了研究 。 他的出发点是：如果我们相信牛顿万有引力是正确的 ， 那么只有一种可能 ， 就是天王星受到了一颗尚未被看到的星星的引力扰动 。 他计算了这个行星的位置 ， 并说服了德国柏林天文台的加勒去搜寻 。 加勒手头上正好有相关天区的暗星表 ， 就试着搜了一下 ， 果然于1846年在相差只有一度的范围内看到了这颗行星 ， 它就是如今我们熟知的海王星 。 同时代的英国天文学家亚当斯也做了相关的预言 ， 可惜没有天文学家根据其预言进行观测 。
按照通过引力相互作用来探索未知物质这一思路 ， 人类踏上了探索宇宙中不可见物质的征程 。 英国物理学家开尔文 ， 是最早（1904年）利用恒星的运动速度来推测银河系中有多少看不见的物质的先驱之一 。 此后 ， 荷兰天文学家卡普坦和他的学生奥尔特 ， 对太阳系附近星体运动做了系统研究 ， 但均未能发现暗物质存在的确凿证据 。
1933年 ， 情况发生了很大变化 。 瑞士裔美国天文学家茨维基发现 ， 一些星系旋转速度远远超出预期 ， 仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的 。 因此 ， 星系团中应该存在大量的暗物质 ， 其质量为可见星系的至少百倍 。 可惜 ， 人们对他的分析方法将信将疑 ， 这一突破性的结论在当时未能引起学术界的一致认同 。
茨维基之后的几十年 ， 各种支持暗物质存在的证据不断涌现 。 1970年 ， 美国天体物理学家鲁宾和福特 ， 对仙女座大星云中星体旋转速度的研究取得重大突破 。 利用高精度的光谱测量技术 ， 他们可以探测到远离星系核区域的外围（约一百角分）星体绕星系旋转速度和距离的关系 。
按照牛顿万有引力定律 ， 如果星系的质量主要集中在星系可见的核心区 ， 星系外围星体的速度将随着距离增大而减小 。 但观测结果表明 ， 在相当大的范围内 ， 星系外围星体的速度是恒定的 。 这意味着要么牛顿万有引力定律不正确 ， 要么星系中有大量的不可见物质分布在星系的外围 ， 且其质量远大于发光星体的质量总和 。 这不但是暗物质存在的证据 ， 也揭示了暗物质的空间分布 。


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