一個困擾了科學家半個世紀的難題,暗物質,宇宙中神祕的物質

雖然我們看不到空氣,但是卻知道構成它的成分。然而,即使我們知道暗物質在宇宙中的存在堪比地球上的空氣,但是仍然沒有科學家可以確定它的成分。137億年前,經過一個質量無限大而體積又無限小的奇點發生的爆炸形成了現在的宇宙。這次爆炸在經過百億年的演變之下還在永無止境的向外輻射,以至於宇宙一直在以膨脹的形態擴充它的管轄範圍。這就好比你在平靜的湖中央投擲了一顆石子,這顆石子帶來的能量波動經過百億年的擴散還在擴大。感謝這次奇點的大爆炸,才使得宇宙中有了星雲,有了恆星,有了行星和智慧生命。而在這浩瀚的宇宙中除去這些人類可觀測的巨型天體之外,還有一種人類看不見摸不著的神秘物質,它充斥在整個宇宙中,甚至將近佔據85%宇宙空間。

一個困擾了科學家半個世紀的難題,暗物質,宇宙中神秘的物質

上個世紀,科學家們在進行星系旋轉曲線的測量時,發現一個一反常理的現象。按照推理,離星系中心較遠的恆星,運動的速度應該是比較慢一些的,但經過薇拉·魯賓的研究發現這些長居星系外側的恆星,旋轉速度比預估的要快很多。經研究,科學家們排除了其他不靠譜的因素,只有假設宇宙中存在著一種神秘的物質才能解釋這種現象。但人類根本不知道這種看不見摸不著並且對宇宙空間造成重大影響的物質到底是什麼,於是人們便開始用暗物質來形容它。

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暗物質是人類理解宇宙起源和未來宇宙發展的關鍵所在,但是它的存在直到最近的21世紀才被科學家們所證實。沒有暗物質不僅人類將不復存在,甚至整個宇宙都會停下它膨脹的步伐。雖然人類現在知道了它的存在和重要性,但是人類至今還無法得知它的廬山真面目。科學家認為宇宙中的所有物質,從我們熟悉的地球到天空中浩瀚的星辰,都是由原子和分子構成的。然而從大量的科研資料蒐集而來的數據卻表明,在這期間同時也存在著一種人們未知的神秘物質。並且這種神秘的物質存在的數量之多,讓人們無法忽視它的存在。神秘的暗物質的數量可能是宇宙中普通物質的五倍之多,至今它既無法被直接觀察到也無法被人類感知到。

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在2001年為了可以提供一副精確的宇宙微波背景輻射圖,NASA發射了一顆WMAP探測器。其本意是從可推算的宇宙中的溫度分佈圖中計算出人類可觀測宇宙中存在的物質的總質量,透過對這些數據的分析讓科學家們得到了一個震驚的發現。如果把所有可觀測星系中的所有普通物質以及所能觀測到的星際氣體的質量疊加起來,其總質量只佔據了宇宙中全部物質的15%。這就說明剩下的85%的物質都是未知物質。

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隨著科技日益的發展,世界各地的科學家都在為解開這個難題而激烈競爭著。在歐洲隨著世界上最大的超級強子對撞機的誕生,科學家有了更高效的實驗手段。這種可以模擬生成宇宙的超高能量場,使人們可以通過對粒子的碰撞實驗掀開宇宙中暗物質的神秘面紗。與此同時,全國多個國家也在默默的研究著這種神秘的暗物質。基於這種神秘物質可以轉換成弱電脈衝的前提,除了使用強子對撞機探測外,人類還建設了很多大型的地下實驗中心,直接從儀器上探測從宇宙裡穿過地球的暗物質粒子。甚至天文學家們還可以通過對宇宙的探測,在宇宙線中的伽馬射線、正反質子、中子和各種可以通過天文設備收集來的宇宙線粒子之間接的數據,來分析暗物質的存在。

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很多科學家將暗物質假設成一種新型的粒子,超對稱性粒子。這種粒子的移動可以被特殊的設備所接收到。在這些針對暗物質的實驗研究中,歐洲的超級強子對撞機可謂是基金投入最雄厚的實驗項目了。該項目是由歐洲核子研究組織CERN引導的,來自63個國家的4000多位頂級研究者,通過世界上最大的粒子加速器對質子進行實驗性的撞擊。在直徑9000米的大型實驗設備內,通過粒子間的碰撞可以再造微觀領域的宇宙大爆炸情景,超對稱粒子可能就在那時被創造了出來。實驗通過人工製造的超對稱粒子的碰撞來觀測有關暗物質的形成,通過對粒子間碰撞產生的爆炸進行觀測,就可以接收到有關這些隱形實體的存在信息。但是經過三萬億個碰撞的觀測,CERN還未觀測到暗物質存在的有力證據。也許現今的科技還沒有達到可以觀測這種神秘物質的能力,在未來或許隨著技術的提升,強子對撞機可能成為觀測暗物質的最便捷手段。

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除去這種超前的粒子對撞實驗,全球還興建起很多直接探測、捕捉暗物質的實驗室。中國錦屏地下實驗室,就是一個建設在地下2400米深的暗物質實驗機構。通過利用一種國際首創的探測系統,將直接探測暗物質的靈敏度提高到了國際領先水平。同時它也被人們賦予首次真正瞭解暗物質的希望。縱觀全球的暗物質研究試驗室,為什麼要在2000多米的地下進行實驗呢?這是因為厚重的基岩可以保護設備免受暗物質之外的其它物質的干擾。一座深居地下的宇宙天文臺如何去觀察這種宇宙中最神秘的物質?聽起來很不可思議,其實卻是很簡單的原理。

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其實,就在我們身邊的周圍就有很多暗物質的活動,每立方米大約就有3000個之多。它們會以大約每秒270千米的時速呼嘯著穿過地球駛向浩瀚的宇宙。就像很多列從外太空駛向地球的隱形列車,而這些深處地下2400多米的接收設備,可以通過一種特殊的接受頻率捕獲到暗物質的信息。暗物質是無處不在的,即使當它穿過我們的身體時,什麼都不會發生。但在非常罕見的情況下,一些暗物質會撞擊這些設備中的特殊原子,使其發生移動或者別的變化。我們可以通過觀測這些儀器上的信息證明這列隱形列車的存在,甚至是捕捉到它。只是這種類似大海撈針的固定檢測方式需要極強的敏感度和時間去等待。

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經過半個世紀前的一個概念,人們才發現了這種看不見摸不著的神秘物質。從初始海潮般的質疑聲慢慢轉變為各個頂尖領域的專業研究,人們已經認同了這種神秘的物質的存在。同時隨著時間的推移,科技已經成為了一個國家的強國之本。暗物質是當今科技的一個新的領域,如何發現暗物質,如何捕捉暗物質,如何利用暗物質都成為各個國家科技的著重點。這把可以探知天地初期的神秘鑰匙,同時也可以開啟人類探索未來宇宙的大門。


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