迄今為止，任何人所做的各種實(shí)驗(yàn)都難以使科學(xué)家相信他們發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，假如暗物質(zhì)真實(shí)存在，那么幾種探索暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)將會(huì)得到同樣的結(jié)果。暗物質(zhì)探測(cè)十分困難，科學(xué)家普遍相信，暗物質(zhì)的性質(zhì)比過(guò)去的想象和預(yù)期有更多的奇異性和復(fù)雜性。2008年，以空間探測(cè)為背景的PAMELA實(shí)驗(yàn)捕獲了過(guò)量的正電子，科學(xué)家為此給出了一種解釋，太空中的過(guò)量正電子產(chǎn)生于暗物質(zhì)粒子的相互碰撞和湮滅作用。

2013年，華人科學(xué)家丁肇中帶領(lǐng)了一支科學(xué)團(tuán)隊(duì)，在AMS——02的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，以國(guó)際空間站為背景的粒子搜索項(xiàng)目進(jìn)一步確定了正電子的存在，然而，很難確定過(guò)量的正電子產(chǎn)生于暗物質(zhì)粒子的湮滅作用，正電子也可能來(lái)源于太空中游蕩的脈沖星。在黑暗的地下場(chǎng)地進(jìn)行了暗物質(zhì)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，其中包括了CoGeNT，XENON，CRESST，CDMS，LUX和四川錦屏的地下深處實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果沒(méi)有肯定、也沒(méi)有否定暗物質(zhì)的存在。獲取清晰的“暗物質(zhì)圖譜”是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，只能等待更長(zhǎng)的時(shí)間，后續(xù)的更為精確的檢測(cè)技術(shù)將幫助科學(xué)家去完成暗物質(zhì)探測(cè)的使命。

不知道暗物質(zhì)有多少類型，物理學(xué)家構(gòu)想了幾種可能性的暗物質(zhì)粒子，其中最主要的候選對(duì)象是被稱為WIMP——弱相互作用的大質(zhì)量粒子，此外，根據(jù)理論物理學(xué)的超對(duì)稱模型物理學(xué)家預(yù)測(cè)了一種新型的暗物質(zhì)粒子，已知的基本粒子可能伴隨了未知的對(duì)稱性暗粒子，有些科學(xué)團(tuán)隊(duì)在搜索一種被稱為“軸子”的暗物質(zhì)粒子。人們找不出什么理由，以此證明宇宙中只存在一種類型的暗物質(zhì)粒子，同樣，人們也找不出合適的理由，以此證明宇宙暗物質(zhì)的種類有多少。

宇宙中的可見(jiàn)物質(zhì)由夸克、膠子和電子組成，它們和“粒子動(dòng)物園”中的其它粒子——包括光子、中微子和希格斯波色子受到了自然基本力的作用，這些粒子共同構(gòu)成了我們身體的物質(zhì)和宇宙的所有物體?；玖Ｗ訕?gòu)成了可見(jiàn)物質(zhì)，它們占到了宇宙總成分的5%，其余的暗物質(zhì)占到了宇宙總成分的23%，暗能量則占到了宇宙總成分的72%?？梢?jiàn)物質(zhì)僅占宇宙總成分的很小比例，卻有多種多樣的物質(zhì)形態(tài)，宇宙中的暗物質(zhì)占到了很大比例，人們同樣可以設(shè)想，暗物質(zhì)可能有多種多樣的形態(tài)。暗物質(zhì)似乎顯得十分簡(jiǎn)單，然而，人們難以斷定，暗物質(zhì)粒子是否通過(guò)暗電磁作用結(jié)合為暗原子，或者暗原子可能結(jié)合為暗分子，暗化學(xué)可能成為未來(lái)的化學(xué)。除了重的暗物質(zhì)粒子，科學(xué)家還在尋找輕的暗物質(zhì)粒子，暗物質(zhì)的理論模型預(yù)測(cè)了輕暗粒子的存在。

未來(lái)的5到10年是發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的重要時(shí)期，然而，沒(méi)有任何一位科學(xué)家公開(kāi)表示，今后10年將抓住暗物質(zhì)的“尾巴”，一系列令人欣喜的實(shí)驗(yàn)在世界各地的實(shí)驗(yàn)室夜以繼日地進(jìn)行。科學(xué)家相信未來(lái)的10年有可能揭開(kāi)暗物質(zhì)的神秘面紗，主要是基于現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)更新?lián)Q代的考慮，探測(cè)技術(shù)的靈敏度和精確度不斷提升，增加了暗物質(zhì)粒子的發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)。科學(xué)家掌握了各種探測(cè)暗物質(zhì)粒子的方法，主要有三種方法，一是直接探測(cè)法，在一個(gè)通常是大型和極為安靜的地下實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家采用了精密性的探測(cè)器，他們耐心等待暗物質(zhì)粒子的光顧，敏感度極高的探測(cè)器被設(shè)置在深層的地下洞穴，可以防止其它潛在粒子的干擾。

科學(xué)家利用了有限的資源，建造了世界上幾個(gè)最大和最敏感的實(shí)驗(yàn)室，探測(cè)能力幾乎擴(kuò)展到了探測(cè)技術(shù)的邊緣。二是間接的探測(cè)法，觀測(cè)暗物質(zhì)的引力效應(yīng)，尋找暗物質(zhì)的蹤跡，大質(zhì)量物質(zhì)的星系產(chǎn)生了“引力透鏡”，科學(xué)家家利用引力透鏡的技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)了一些“暗物質(zhì)星系”。安裝在衛(wèi)星和國(guó)際空間站的暗物質(zhì)探測(cè)器陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了過(guò)量正電子的異?，F(xiàn)象，這些異常粒子可能產(chǎn)生于暗物質(zhì)粒子的相互作用。

三是加速器生成法，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是一個(gè)目前最復(fù)雜和能級(jí)最高的超大機(jī)器，兩束粒子在對(duì)撞機(jī)內(nèi)進(jìn)行高速碰撞，釋放出的能量可能轉(zhuǎn)化為暗形態(tài)的物質(zhì)。大型對(duì)撞機(jī)經(jīng)過(guò)了定期的維護(hù)和升級(jí)，顯著提升了“粒子分解”的能級(jí)，假如高能的實(shí)驗(yàn)機(jī)器揭示了暗物質(zhì)的行蹤，那么科學(xué)家實(shí)際上用實(shí)驗(yàn)手段制造了暗物質(zhì)粒子。通過(guò)暗物質(zhì)的特性發(fā)現(xiàn)它們的存在，反之，通過(guò)發(fā)現(xiàn)它們的存在了解暗物質(zhì)的性質(zhì)。三種搜索暗物質(zhì)的方法沒(méi)有先后和優(yōu)劣之分，人們很難預(yù)測(cè)通過(guò)哪一種方法會(huì)首先發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡，加速器生存法實(shí)際上屬于直接探測(cè)法。

暗物質(zhì)可能在人們的理解力之外，過(guò)于神秘的暗物質(zhì)始終逃避了科學(xué)家的搜索，或者是暗物質(zhì)不存在，或者是重新考慮引力的屬性，采用“修正引力理論”，重新描述暗物質(zhì)現(xiàn)象。既然暗物質(zhì)躲避了人們的搜尋，人們可以尋找新的搜索方法。暗物質(zhì)搜索投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，人們對(duì)尋找未知暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的性價(jià)比產(chǎn)生了質(zhì)疑和擔(dān)憂，但科學(xué)家十分執(zhí)著，一是因?yàn)榘滴镔|(zhì)探索是科學(xué)界普遍認(rèn)同的最重要的基礎(chǔ)科學(xué)項(xiàng)目，二是因?yàn)槎嗤緩降陌滴镔|(zhì)精確探索推動(dòng)了理論科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展，難以估計(jì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意外收獲和附加價(jià)值。

歐洲原子能機(jī)構(gòu)（CERN）建造了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)室，從事基礎(chǔ)科學(xué)研究的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了希格斯波色子，歐洲原子能機(jī)構(gòu)（CERN）的總干事長(zhǎng)羅爾夫·霍培爾在被問(wèn)及到下一個(gè)粒子的發(fā)現(xiàn)時(shí)，他不假思索地回答到，下一個(gè)優(yōu)先尋找的粒子是暗物質(zhì)粒子。暗物質(zhì)粒子是科學(xué)家優(yōu)選的粒子之一，主要的原因是暗物質(zhì)在宇宙中的存在比普通物質(zhì)更為普遍，暗物質(zhì)的數(shù)量是普通物質(zhì)的5倍，它們似乎以團(tuán)塊的形式在宇宙中漂浮，暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙大而全的“腳手架”，普通的可見(jiàn)物質(zhì)依托于暗物質(zhì)的框架，人們看到了外在的美輪美奐的宇宙星系。

科學(xué)家確認(rèn)了暗物質(zhì)的存在，卻不能確定它們的性質(zhì)，暗物質(zhì)可能像普通物質(zhì)一樣由基本粒子組成。暗物質(zhì)的概念周期性地出現(xiàn)在媒體報(bào)道中，好似外星人的概念時(shí)常出現(xiàn)在媒體的播報(bào)中，世界各地的實(shí)驗(yàn)室不定時(shí)地發(fā)布了某種潛在暗物質(zhì)信號(hào)的消息，科學(xué)和媒體人士都在等待暗物質(zhì)真正發(fā)現(xiàn)的時(shí)刻，幾乎沒(méi)有什么懸念，首先捕獲暗物質(zhì)的科學(xué)家將獲得物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。科學(xué)家至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)所謂的暗物質(zhì)，但是，他們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)現(xiàn)象。

上個(gè)世紀(jì)三十年代，奧地利天體物理學(xué)家弗里茨·茨維基在后發(fā)座星系群中觀測(cè)了一些星系的旋轉(zhuǎn)，后發(fā)座星系團(tuán)由1000多個(gè)星系組成，距離我們的地球?yàn)?億光年，茨維基以星系發(fā)出的光線為參考估算了星系的總質(zhì)量，他非常驚奇地發(fā)現(xiàn)，假如星系質(zhì)量的估算是正確的，那么星系的總質(zhì)量不能維持自身的運(yùn)動(dòng)，星系缺少了足夠的物質(zhì)引力，它們將會(huì)分崩離析。茨維基估計(jì)至少需要相當(dāng)于星系總質(zhì)量400倍的額外物質(zhì)，才能維持星系的穩(wěn)定，這種神秘兮兮的或看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)就是暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)構(gòu)成了星系物質(zhì)的主要成分，主要部分的暗物質(zhì)和次要部分的普通物質(zhì)共同構(gòu)成了星系的總物質(zhì)。

在次維基提出“暗”物質(zhì)概念之后的一段很長(zhǎng)時(shí)間，似乎不切實(shí)際的暗物質(zhì)概念在很大程度上被忽略了。直到上個(gè)世紀(jì)的七十年代，美國(guó)天文學(xué)家維拉·魯賓觀測(cè)到了和茨維基的發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，她仔細(xì)觀測(cè)和分析了銀河系鄰居的仙女座星系中恒星的旋轉(zhuǎn)速率，通常說(shuō)來(lái)，星系邊緣的恒星受到的中心引力較小，這些恒星在圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)時(shí)速度會(huì)慢一些，星系中心附近的恒星受到了最大引力的拖拽，這些恒星在圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)時(shí)速度會(huì)快一些，然而觀測(cè)的結(jié)果不是如此，魯賓感到困惑不解，星系邊緣的恒星和星系中心的恒星幾乎有同樣的繞轉(zhuǎn)速度。

天文學(xué)家魯賓假定仙女座星系被彌散的暗物質(zhì)包裹，在不同距離上的恒星將產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)速度的異常現(xiàn)象，暗物質(zhì)的假設(shè)合理地解釋了星系內(nèi)恒星繞轉(zhuǎn)速度的異常。銀河系和仙女座星系的周圍可能包圍了一大圈的暗物質(zhì)“暈”，其它的天文觀測(cè)成果也證實(shí)了星系和光線在空間穿越時(shí)出現(xiàn)的異常速度，通過(guò)人們未知暗物質(zhì)的引力屬性解開(kāi)了天文學(xué)家的疑惑。魯賓和茨維基一樣傾向于認(rèn)同暗物質(zhì)的存在，天文學(xué)家看不到暗物質(zhì)的展現(xiàn)，卻發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的引力效應(yīng)。不排除統(tǒng)計(jì)學(xué)的原因和其它替換性的解釋，可能無(wú)需引入暗物質(zhì)的概念，但是，任何可替換性的解釋都沒(méi)有得到觀測(cè)結(jié)果的證實(shí)。

1998年，意大利的格蘭·薩索山洞的暗物質(zhì)探測(cè)器收集了有趣的實(shí)驗(yàn)信號(hào)，DAMA實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的意大利科學(xué)家探測(cè)到了某種疑似暗物質(zhì)特征的粒子，它們的奇特之處在于分布密度的周期性變化，表現(xiàn)了年度性增減的趨向，每年6月達(dá)到密度峰值，每年12月達(dá)到密度低值，DAMA實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的意大利科學(xué)家聯(lián)想到了天文學(xué)家正在竭盡全力尋找的暗物質(zhì)“暈”。銀河系被包裹了一層更大的暗物質(zhì)“暈”，銀河系內(nèi)外充斥了暗物質(zhì)“氣體”，地球繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，不斷穿越了暗物質(zhì)“暈”，同樣，太陽(yáng)系繞著銀心旋轉(zhuǎn)，不斷穿越層層疊疊的暗物質(zhì)“氣體”。

DAMA實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的意大利科學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)存在的解釋方式十分奇特，假如在半年之內(nèi)地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的方向和太陽(yáng)繞銀河系旋轉(zhuǎn)的方向相同，那么暗物質(zhì)粒子的分布密度隨之上升，反之，假如在半年之內(nèi)地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的方向和太陽(yáng)繞銀河系旋轉(zhuǎn)的方向相反，那么暗物質(zhì)粒子的分布密度隨之下降，地球和太陽(yáng)的結(jié)合速率在兩者的旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)表現(xiàn)得更快，地球和太陽(yáng)的結(jié)合速率在兩者的旋轉(zhuǎn)方向不一致時(shí)表現(xiàn)得更慢。

DAMA項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)似乎表明，地球和太陽(yáng)在繞銀河系的公轉(zhuǎn)中可能穿越了暗物質(zhì)暈的包層，然而，實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在意想不到的漏洞，除了暗物質(zhì)暈的設(shè)想，也有其它可能的解釋，科學(xué)家目前不能確認(rèn)地球和太陽(yáng)在公轉(zhuǎn)過(guò)程中穿越了太空的暗物質(zhì)媒介。在意大利的格蘭薩索進(jìn)行的DAMA實(shí)驗(yàn)已被稱之為DAMA/LIBRA，實(shí)驗(yàn)科學(xué)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)尋找一種粒子密度的年度增減現(xiàn)象。暗物質(zhì)是目前科學(xué)界熱門(mén)的科學(xué)搜索對(duì)象之一，世界各國(guó)有多個(gè)暗物質(zhì)搜索項(xiàng)目，意大利的DAMA實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在地面進(jìn)行，搭載在國(guó)際空間站的質(zhì)譜儀和中國(guó)的“悟空”號(hào)暗物質(zhì)衛(wèi)星項(xiàng)目則在太空實(shí)施。

（編譯：2021-9-3）

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