暗物质和暗能量物理学天空中的两朵乌云何时消散

“像20世纪初一样，21世纪初物理天空中也有两块乌云。它们是暗物质和暗能量。”近日，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所前所长陈和生在2019年国际暗物质日北京区域活动中表达了这种情感。

有一种现象与引力理论不一致。

1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》年提出了物质之间的万有引力定律。200多年后，爱因斯坦于1916年发表了他的广义相对论，将牛顿的引力理论扩展到高速运动的物体。牛顿和爱因斯坦的引力理论一直被视为标准。然而，自20世纪20年代以来，越来越多的天文观测表明，在星系到宇宙的尺度上，有些现象与牛顿和爱因斯坦的引力理论不一致陈和生说。

天文学家观察到螺旋星系的旋转曲线并没有像引力理论预测的那样迅速下降到星系发光区域之外，而是缓慢延伸。银河系中的所有恒星都围绕银中心旋转。根据牛顿的万有引力，太阳的旋转速度直接与银河系的质量和太阳与银中心之间的距离有关。可以推断太阳的旋转速度是每秒170公里，但实际测量结果是每秒220公里到250公里。

究竟是什么导致引力理论失败？宇宙中还有我们不知道的神秘的歌剧魅影吗？

对宇宙中95%的物质一无所知

为了解释这一现象，科学家推断螺旋星系中一定有我们看不见的暗物质。还有许多其他天文观测也显示了暗物质的存在。宇宙微波背景辐射观测实验的结果给出了暗物质在宇宙物质总量中的比例。在宇宙中，普通物质仅占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%。

”这个结果相当惊人。粒子物理的基本理论标准模型正确地解释了几乎所有的实验现象。自20世纪60年代以来，相关研究已获得18项诺贝尔物理学奖。但是这个成功的理论只能解释宇宙中不到5%的物质，我们对剩下的95%一无所知，所以我们变成了井底的青蛙。”陈和生说。

那么，我们不知道的暗物质到底是什么？物理学家还不知道。他们推测暗物质是一种弱相互作用的重粒子，比氢原子重数百甚至数千倍。

科学家们正在努力寻找这种看不见的无形暗物质。“过去30年来，对暗物质的研究一直是国际粒子物理实验的热点之一。它主要通过三种实验来寻找暗物质粒子。”陈和生告诉记者。

三种类型的实验正在寻找暗物质粒子。

第一类实验是在超高能对撞机中产生暗物质候选粒子。许多科学家在欧洲的大型强子对撞机中从事这样的工作，包括许多来自中国研究机构和大学的科学家。

“‘碰撞’只是寻找暗物质的一种方法，科学家们仍然在‘天堂’和‘地球’中寻找暗物质。所谓的“天堂”是指外层空间暗物质的间接探测。暗物质粒子可能湮灭并产生普通的物质对，如正负电子对。暗物质可以通过测量宇宙射线正电子来发现，例如由中国诺贝尔奖获得者丁肇中领导的阿尔法磁谱仪实验。我们也可以通过测量宇宙射线电子和正电子来发现暗物质，比如我们的“悟空”卫星实验陈和生说。

当“进入地球”寻找暗物质时，它通过深度实验直接探测暗物质粒子。暗物质粒子可能以非常小的概率与普通物质碰撞，并“飞行”先前静止的原子。撞击“飞行”的原子可以被观察到，这是直接探测。陈和生将这种检测方法比作“等待兔子”。暗物质粒子是兔子，普通物质的原子是植物。

事实上，即使这三种类型的实验中有一种找到了暗物质的候选粒子，确认它是宇宙中的暗物质也是一项非常困难的任务。陈和生强调说，三个实验或至少两亩