互动科普

到此为止，我们已经介绍了不少种类的基本粒子，它们分别属于构成物质的基本粒子和传递力的基本粒子，以及它们的反粒子。然而天文观测还证实，宇宙中到处都充满了并不属于上述这三类粒子的未知物质。而且，这些未知物质的数量，其总质量达到了由原子构成的普通物质的质量的5倍。原来，宇宙的“主角”并不是我们平时看见的这些由普通物质所构成的星体和星系！这些看不见的物质无法用光等普通观测手段直接看到，因而被称为“暗物质”。

暗物质既然看不见，我们又如何能够知道它们确实存在呢？原来，它们是通过观测天体的运动发现的。以地球为例，地球以30公里每秒的速度围绕着太阳高速公转。地球以如此大的速度在宇宙空间飞驰却不会飞出太阳系，这是由于地球受到了太阳万有引力拉拽的缘故。质量越大的天体，它对周围其他天体的万有引力的作用越大。

宇宙中存在着由大量星系聚集在一起而形成的一类天体，叫做“星系团”。这些星系团内的各个星系都在以很大的速度运动。计算表明，把一个星系团内的所有星系和弥漫在星系之间的气体全部考虑在内，它们的全部质量所产生的万有引力是不足以将其中作高速运动的各个星系维系在星系团这样一个大小有限的空间而不散的。然而事实是，宇宙中有星系团，其中的各个星系始终保持在星系团内并没有飞散。换句话说，计算结果同实际存在着大量星系团的事实不符。科学家由此判断，星系团中一定还存在着某种虽然看不见，却在向周围施加万有引力的暗物质，其质量应该是可以看见的物质的5倍。正是由于有这种暗物质的万有引力在起作用，星系团才得以维系而没有解体。

图1. 星系团被大量暗物质笼罩着

星系团的内部及其周围充满了大量被称为暗物质的不可见物质。此图解上用紫色云雾来表示这些暗物质。这些暗物质施加的引力能够使各个星系保持在星系团内而不致飞散。用包括可见光在内的电磁波（射电波、红外线和X射线等）无法观测到这种暗物质。暗物质的粒子应该同中微子一样，也能够轻而易举地穿过人体和地球。根据理论计算，每一秒钟都有数百亿个暗物质粒子穿过我们的身体。

暗物质的粒子能够贯穿我们的身体

事实上，暗物质的存在不只是维系了星系团。例如，太阳系在银河系内大约2亿年“公转”一周。太阳系以如此大的速度运动，仅靠银河系内能够看见的物质的质量也是不可能将太阳系维系在银河系内的。村山博士指出，“如果没有暗物质的万有引力，太阳系肯定会飞离银河系”。

这就是说，在太阳系内，甚至就在我们的周围，也应该有暗物质存在。不过，暗物质不仅看不见，而且还能够径直“贯穿”普通物质。“每一秒钟都有数百亿个暗物质粒子穿过我们的身体”，村山博士说。

在接下来我们将要介绍最有可能是暗物质的那些粒子。

也许能够人工“制造”出暗物质

暗物质的本体是什么，也就是说它们究竟是什么东西，为此提出过许多假设。这里只介绍其中可能性最大的一种假设，即认为它们是“超对称性粒子”。

用来表示基本粒子性质的物理量，除了质量和电荷之外，还有“自旋”。所谓自旋，简单说来，可以认为表示的是基本粒子的“自转势头”。电子或夸克这样的“构成物质的基本粒子”，用数字表示，它们具有等于“1/2”的自旋量。诸如光子这样的“传递力的基本粒子”，它们具有等于“1”（引力子等于“2”）的自旋量。

许多物理学家的看法是，与这些基本粒子中的每一种相对应，还应该存在着与它们的自旋量仅相差1/2的“伙伴”粒子，即所谓的“超对称性粒子”。一种基本粒子与其伙伴粒子即超对称性粒子的这种对应关系就类似于前面所介绍的那种“粒子€反粒子”的对应关系。不过，理论预测，超对称性粒子与原来的基本粒子之间，在质量上也有差别。而且，即使反粒子也存在着它们的超对称性粒子。所以，我们这个世界不仅存在着“构成物质的基本粒子”和“传递力的基本粒子”，还存在着与它们一一对应的反粒子和超对称性粒子，总共有4套不同种类的基本粒子。

不过，与反粒子不同的是，超对称性粒子目前还只是从理论上预言了它们的存在，并没有得到实验的证实。

构成物质的基本粒子是在诞生宇宙的大爆炸中制造出来的。理论推测，当时也应该还同时制造出了大量的反粒子和超对称性粒子。反粒子在那以后由于某种原因消失了，而超对称性粒子却应该有一部分还留存于现在的宇宙中。这些留存下来的超对称性粒子很有可能就是存在于现在宇宙中的暗物质。

如果果真存在着超对称性粒子，那么，我们就应该有可能在加速器中将它们制造出来。位于瑞士日内瓦郊区的那台有史以来能量最高的大型加速器“LHC”（大型强子对撞机）安排的那些实验，其目的之一就是希望能够发现超对称性粒子。LHC的环形加速隧道周长27公里，也许不久就能够查明暗物质究竟是什么。

宇宙中到处都充满了“暗能量”

近年来科学家又提出一种比暗物质更加奇特的观点，即认为宇宙空间充满了一种观测不到的能量。他们将这种能量称为“暗能量”。

考虑在地面向上抛掷一个小球的情形。在指向下方的重力（万有引力）的作用下，小球的上升速度会逐渐减小，达到最高点时速度变为零，然后小球转为下落。对宇宙空间也可以作类似的思考。我们知道，宇宙空间在不停地膨胀，但是受到恒星和星系的万有引力的拉拽，空间的膨胀速度应该在逐渐减小。

可是在1998年进行的观测表明，远处大多数天体背离我们退行的速度都在增加，这意味着宇宙空间正在加速膨胀。这种情况相当于上抛小球的上升速度反而在不断增加。这个奇怪的观测结果在当时的研究者看来是十分不合理的。

暗物质，尽管还不知道究竟是什么东西，但毕竟也是“物质”。随着宇宙膨胀，空间也在膨胀，那么暗物质的密度（质量÷空间体积）自然会随之减小，它们在宇宙中便会呈现为作不均匀分布。可是暗能量却不是这样，研究者推测，它们虽然随着宇宙空间膨胀变得越来越稀薄，但是在整个宇宙中的分布却始终是均匀的。对于这种现象的解释是，空间膨胀增大多少，暗能量便会“相应地补充多少”。也就是说，暗能量是空间本身所具有的一种能量。

利用公式“E＝mc²”我们可以将物质的质量（m）换算为能量（E）作一个比较。普通物质（原子构成的物质）仅占全部宇宙总能量的4.6%，而暗物质却占到23%，暗能量则占到73%。换句话说，宇宙的绝大部分都是由暗物质和暗能量组成的。这就是说，我们对于“宇宙的成分”其实还知之甚少。

图2. 暗能量对周围空间施加的是反引力的作用

上抛的小球，在重力作用下上升速度逐渐减小。同样，宇宙空间的膨胀受到宇宙物质引力的作用也应该逐渐减速（左）。然而，近年来的天文观测发现，宇宙空间的膨胀速度其实是在增加（右）。这就好比上抛小球的上升速度在增加。对于这种现象的解释是，宇宙空间充满了一种“暗能量”（此图解上用涂布的绿色来表现），它们起到了反抗万有引力导致膨胀减速的反引力作用。关于这个问题的细节目前还没有搞清楚。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）