尋找您身邊的幽靈：中國探測衛星今升空

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

科學家們深信，有一種神秘的物質，它們就像幽靈一樣瀰漫在我們每個人周圍，它可以輕易穿過每個人的身體而又不被人察覺，在幾千米深的地下，各國的科學家們已經在試圖捉住它。誰能第一個發現這種 「幽靈」，必將被載入史冊。

它已經處在被發現的邊緣，時間緊迫，各國的科學團隊都在爭先恐後！我國也不例外，就在今天，2015年12月17日，我國的一顆重要衛星已經升天，而目的，就是為了抓住你身邊的幽靈，它也是宇宙的幽靈，你猜錯了，它不是中微子，而是暗物質！

來自網友們的神評論

在科學界，科學家們早已承認了暗物質的存在，然而，普通大眾卻並非如此。如果您曾經對暗物質感興趣，並去看相關文章，就會看到，網友們對暗物質的評論可謂是五花八門，甚是精彩：

也許要用中國的陰和陽才能解釋暗物質；

以前說有以太，後來說以太不存在，現在又說有暗物質，不就是以太換個名字么？

暗物質會不會是更高維度世界的某種能量對我們四維世界的影響？

暗物質就是人死後的靈魂……

…………

以上網友們的評論代表了很多人的觀點，更有人認為，暗物質就是科學家們對一些理論無法自圓其說後，拼湊出來的東西！

沒錯！我們確實無法對一些理論「自圓其說」了，哪些理論呢？比如牛頓的萬有引力，愛因斯坦的廣義相對論等等。

萬有引力也出問題了？！

是的！來，咱們一起看看，到底出了啥問題。

開普勒第二定律示意圖

開普勒第二定律告訴我們，行星圍繞中央恆星公轉時，在相同的時間內，恆星和行星的連線所掃過的面積都是相等的。這不難理解，行星距離恆星遠時，軌道速度慢，而距離恆星近時，軌道速度快，因為此時兩者的引力因為距離變近而增大，如果軌道速度不增加，那麼離心力也不會增加，結果就是，行星會沖向恆星的懷抱，變成一團氣體。

太陽系各大行星的軌道速度示意圖

在太陽系內，距離太陽越近的行星，軌道速度越大，可以這樣去理解：距離越靠近，引力就越大，如果軌道速度不大的話，就會被太陽吸進肚子里。

設想一下，如果咱們地球具有水星的軌道速度會怎樣？

回答：當然會飛出去，遠離地球軌道！這類似於一滴水從旋轉的雨傘上飛出去。

同理，如果水星具有地球的速度呢？那麼它無疑將被太陽吞沒。

現在，問題來了。

如果既要地球具有水星的速度，又要地球保持在如今這溫暖如春的軌道上，該怎麼辦？

回答：增加太陽質量！

太陽質量變大，它與地球的萬有引力就增強，這增加的引力才能抵抗因速度增加而帶來的離心力。

咦，這萬有引力不是在太陽系工作得好好的嗎？瞧你這一驚一乍！

是哦，好像真沒出什麼問題呢，非常抱歉！要不，咱們衝出太陽系，到銀河系外逛逛？

圖為銀河系，起初，天文學家們認為銀河系屬於旋渦星系。後來，2005年時，通過斯皮策空間望遠鏡證實：銀河系屬於棒旋星系。

銀河系就是一個旋轉的大盤子，如上圖，可以看見，銀河系中心部分最亮，因為那裡的恆星多如恆河沙，換言之，銀河系的大部分質量集中在中央部分。

根據開普勒定律和牛頓定律，咱們就算不用去測量，推也能推算出，銀河系中央部分旋轉速度最快，而距離銀心越遠，旋轉速度就越慢。很簡單，只要把銀河系的中央部分當成是太陽，把銀河系的旋臂當成是行星就可以啦。

拉普拉斯被譽為法國的牛頓，他在天體力學和統計學上有著傑出的貢獻。有一次，拿破崙看完拉普拉斯寫的巨著《天體力學》後，問拉普拉斯：為何在你的書中一句也不提上帝？

拉普拉斯說：「陛下，我不需要那個假設。」

是的，天體應該怎麼運動，我們並不需要上帝來插手，有牛頓即可。

所以，根據人類的現有知識，銀河系應該是這樣運動的。

理論上銀河系如這般運動

然而呢？觀測的事實卻讓人大跌眼鏡，現實中銀河系是這般運動。

看出來了嗎？咱們放在一起對比看看。

左為理論中運轉狀態，右為現實中的運轉狀態

大量觀測表明，銀河系的旋臂並沒有因為距離銀心遠而速度有所減慢！

這是怎麼回事？這不就類似於，雖然地球擁有水星的速度，卻又沒有被甩出軌道一樣？

怎麼解釋？只有兩種可能：

要麼，牛頓和愛因斯坦錯了，現有的物理學有問題，而且是大問題！（這想一想就讓人很興奮呢，科學從不怕錯，就怕遲遲沒有發現錯。）

要麼，銀河系外圍的旋臂周圍，有大量的不發光物質，也就是暗物質。暗物質的質量很大，它增加了跟銀心的引力。這類似於上文咱們說的，要想地球擁有水星的軌道速度卻又不被甩出軌道，辦法是增加地球的質量。

七八十年了，真的，人們一直想找出牛頓和愛因斯坦的理論中到底哪裡出問題了，但是非常可惜，一直沒找到。

沒找到不代表沒有！也許1千年後，人們就能發現萬有引力理論中的錯誤了！

但是，既然你捨得花這1千年，為什麼就不花幾十年去研究一下另一種可能呢——暗物質。

正如福爾摩斯的名言：排除一切不可能的，剩下的即使再不可能，那也必定是真相。

這就是為什麼，科學家們深信：宇宙中有暗物質。

其實，說真的，科學家們壓根才不希望有暗物質這個傢伙，但他們走投無路了你知道嗎！

根據數十年的觀測和各種方式的計算得出，咱們平常所見到的由原子構成的物質不到5%。

放眼太空，漫天星辰，我們以為看到了宇宙的絕大部分實體，然而滑稽的是，無論我們用多麼先進的望遠鏡，也無論我們仰望星空多久，我們所能看到的，原來連宇宙那冰山一角都不到。這實在是太讓人驚奇了！

暗物質是什麼？

誰要是知道暗物質是什麼，那就算頒給他10個諾貝爾物理學獎也是非常合算的。但是沒有人知道它到底是什麼。科學家們只能根據種種觀測的事實和現有理論去推測暗物質的一些性質。

伸手不見五指的夜，我們看不見黑暗中的人，但是用一般的紅外夜視儀就能看到。而暗物質因為不發出任何電磁波，故用任何儀器也看不到它。不發出電磁波也就算了，它也不吸收，並且也不反射電磁波。這就麻煩了，也就是說，目前我們甭想觀測到它。

那能觸摸到它們嗎？也不能，不少科學家認為，暗物質其實就在我們的身邊，它們的速度很快，比步槍的子彈速度還要快幾百倍，它們能輕易穿過我們的身體而我們卻毫無察覺。

這這這……怎麼弄？這種如幽靈一樣的傢伙，它到底有什麼？！

報告：它有質量，參與引力的作用！

打個比方，小明每天走進卧室的時候，都會感覺到有什麼東西在摸他一下，但是呢，小明又看不到、摸不到逮不到這個東西，你說你說，小明該有多抓狂？！

是的，科學家們現在也很抓狂，他們說，現代物理學的天空有兩大朵烏雲，一個是暗物質，一個是暗能量！

又來了，烏雲可不要太多噢。20世紀初，開爾文勛爵就說物理學的天空飄著兩朵烏雲，現在又來了。

但是！

諸位，你們不覺得這很幸運嗎？沒有烏雲，怎有撥雲見日？

20世紀初的烏雲已煙消雲散，只留下滿天的光輝——相對論和量子力學的誕生。這兩大學科深深地影響了我們生活的方方面面，就連你手機上的導航，那也是相對論和量子力學的小小運用之一。

百年前的烏雲我們難以感受其精彩和驚心動魄，因為那時我們都還沒出生，而感受到了的，曾經處在浪潮之巔的那些人，他們已然成為偉人，被後人一遍又一遍述說。

現在，此刻的這兩朵烏雲，目前還只有各國正在研究暗物質的那些科學團隊最能體會。他們已隱隱地感到，暗物質已經處在被發現的邊緣。

我國暗物質探測衛星

既然暗物質如此神出鬼沒，我國的探測衛星又怎麼能捕捉到它呢？答案是，探測衛星並不能捕捉到它。

而是，科學家們根據現有理論推測，暗物質可能是一種叫做「大質量弱相互作用粒子」的粒子，簡稱WIMP。雖然暗物質有很多候選者，但目前WIMP是暗物質最有希望的候選者。絕大多數粒子都有反粒子，就像質子、電子的反粒子分別是反質子、反電子。

科學家們認為WIMP也有反粒子，當WIMP與它的反粒子發生湮滅時，或者自身發生衰變時就會放出大量能量，而這些能量多以伽馬射線、反質子和正電子釋放出來。我國的探測衛星恰好就能探測到這些高能電子和伽馬射線，其探測能力超越其他國家已經發射了的暗物質探測衛星。

雖然宇宙深處很多天體也會釋放伽馬射線，比如脈衝星，但是，可以通過技術和觀測的手段把這些不同能量的伽馬射線排除掉。假如能捕捉到前所未見的伽馬射線和高能電子，那麼，就有極大的可能是暗物質釋放出來的，從而也就間接地探測到了暗物質。

圖為我國暗物質探測衛星

這是一種幸運

諾貝爾物理學獎獲得者李政道曾認為, 對暗物質的研究將預示著物理學又一次翻天覆地的革命。而很多前沿科學家，他們的內心其實早有預感：今天物理學面臨的狀況與19世紀末、20世紀初誕生相對論和量子力學時非常類似。

圖為中國四川美麗的錦屏鎮，在這裡有一個地下暗物質探測實驗室。

中國錦屏極深地下暗物質實驗室深2400米。

也許可以用幸運來形容，假設暗物質的質量只佔宇宙總質量的萬分之一，遠遠少於普通物質，那麼，暗物質雖然會產生引力，但是極小，帶來的後果就是，人類得等幾百年，甚至上千年後才能察覺到有暗物質這種東西存在。

在宇宙中，暗物質的質量比我們所能見到的普通物質要大好多倍，這讓我們得以輕易覺察到它們的存在，對於人類來說，或者對於我們這一代人來說，又何嘗不是一種幸運？

暗物質對於現代人，就好似電磁波對於千年前的古人，不同的是，古人不知有電磁波，而我們，已在上天入地尋找暗物質。

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