暗能量与反物质之谜，能利用反物质做什么？

Answer 1

　　宇宙中所有的物质都在飞速运动，如此巨大的银河系，围绕旋转一圈只需要两亿年的时间。科学研究证明，银河系内部的引力是无法与如此巨大的速度带来的力量保持平衡的，如果没有外力作用，银河系将会因为自身的高速旋转而被撕裂，但是事实上并没有，所以科学家们认为，有一些看不见的物质对银河系施加了一个外力，是这个外力把银河系的物质凝聚在了一起。同时我们发现，星系团中的星系也在快速运动，我们可以认为，是暗物质对这些星系发生了作用。

　　暗能量与反物质

　　在万有引力定律中，正常的物质在引力作用下，会向星系中央聚集，但是我们观测到的结果却并非如此。这些看不见的暗物质对普通物质起着巨大的作用。但是，这些暗物质之间无法发生核聚变，所以它们在通过彼此时不会产生碰撞，也无法释放出可见的能量。这些物质可能是质量巨大的亚原子粒子，它们的质量是质子的许多倍。这些亚原子粒子被称为弱作用大质量粒子，它们能够对物质产生影响，彼此通过引力发生作用，对电磁力则并不敏感。

　　我们通常所说的物质，是由带正电的原子核与带负电的电子组成的。而有一种物质与我们所知的正好相反，它们由带负电的原子核与带正电的电子组成，所以也被称为反物质。这些反物质在与正常物质碰撞时，会发生物质的湮灭。在过去，反物质只是人们提出的一种假设。直到1997年，科学家们才宣布，在银河系的中心发现了反物质。

　　一、发现暗能量

　　从1998年人类第一次意识到宇宙在膨胀，科学家们就发现宇宙中有一种难以解释的存在。宇宙的命运，似乎与这些神秘的存在息息相关。因为无法直接观测到，所以科学家们将它称为暗能量。

　　为了对宇宙进行更好的观测，很多主要的天文研究中心都设立在人迹罕至、远离光污染和其他干扰因素的山顶或者荒漠中。在这些研究中心里，有人类能建造的最为发达的各种科学仪器和保障设施，以及巨大的天文望远镜。智利帕拉纳尔天文台，是一座备受全世界天文学家青睐的天文观测机构。这座天文台的望远镜系统通过一套巨大的发电机驱动，这台发电机的功率高达2M瓦。科学家们使用如此先进的设备，是为了找到一种基本粒子——光子。宇宙中的光子携带着丰富的信息来到地球，它们有些来自地球附近，还有一些来自遥远的宇宙深处。通过对这些基本粒子的研究，科学家们能够了解恒星、星系乃至宇宙的演化过程。

　　但是，人类对宇宙的了解越深入，就越感到自己的渺小。宇宙是如此包容和博大，任何我们试图了解它而做出的努力，都显得微不足道。从古希腊时期开始，人类就已经开始了对宇宙的探索和研究。那时，人类还不具备对宇宙进行深入观测的设备，只能靠肉眼观察夜空中的星星。他们根据观察到的现象，创立了许多学说。在古希腊人看来，地球的基本构成元素分为四种，分别是空气、土、水和火。

　　后来，古希腊思想家亚里士多德进一步阐述了这一理论。他认为，宇宙是由两部分组成的，一部分是脚下的地球，一部分是天空中的星。其中，地球是由前述四种基本元素组成的，而天空中的恒星和行星则是由被一种称为第五元素的神秘元素——以太构成的。在他看来，恒星和行星组成的世界是恒定的，万古不变的。同时，古希腊人认为，地球是宇宙的中心。宇宙中的各种天体围绕地球运动，形成一个个同心圆。由此出发，很多新的科学发现诞生了。人们逐渐发现，地球并不是宇宙的中心，而是一颗围绕太阳运行的普通行星。

　　太阳也只是一颗普通恒星，位于银河系中。银河系属于更为巨大的天体结构——本星系群，而本星系又是星系团的一个微小的组成部分。众多星系团构成超星系团，而宇宙是由众多超星系团组成的。简而言之，宇宙的尺度，远远超出了人类的想象。用各种先进的观测设备捕捉到的光子被用来研究宇宙的基本特性，但是研究越深入，人们就越感到自己的无知。于是，在试图对宇宙进行更深入的解释时，科学家们再一次提出了第五元素的概念。

　　过去，当人们谈起宇宙时，总是使用大致的、模棱两可的表述，但是现在，科学家已经能够详细了解宇宙的整体结构和密度。哈勃使用造父变星测量出了星系与地球之间的距离。现在，科学家又开始了对濒死恒星的研究。恒星内部的核聚变将氢元素消耗殆尽后，恒星便进入了生命的尾声。恒星会开始膨胀，气体外壳逐渐消失，最后只剩下一个致密的核，体积与地球相似，这就是白矮星。有些白矮星会继续吸引其他天体的物质，当达到临界点时发生爆炸，形成了1A型超新星。因为这种超新星的爆炸方式是相同的，而且具有极高的亮度，所以能够用来测量极远处的星系与地球之间的距离和远离地球的速率。科学家们正在不断收集1A型超新星的观测数据，借此寻找宇宙受引力影响的起点。

　　当科学家发现一颗1A型超新星，就会对它的红移水平进行测量。红移的程度越高，说明越接近宇宙大爆炸的初始阶段。科学家们用它与地球之间的距离与它的表面亮度进行对比，发现这些超新星的实际亮度与理论亮度存在差异，看起来要暗一些，这说明它发出的光是穿过了极远的距离才到达地球的。

　　通过这些研究，科学家们得出结论，认为宇宙目前的膨胀速度，比宇宙大爆炸发生不久之后的膨胀速度要快。宇宙之所以具有今天这样大的规模，说明膨胀速率在提高。

　　我们虽然已经知道宇宙中占绝大多数的是暗能量，但是对这种暗能量还没有足够的了解。想要解决这个问题，可能还要求助于爱因斯坦的理论，也就是宇宙常数。

　　爱因斯坦认为，宇宙中不但存在引力，同时还存在斥力。暗能量好比沸腾的水表面的气泡，随机地凭空出现又消失。暗能量似乎能够从真空中突然出现，引发一些突如其来的能量大爆炸。宇宙本身就起源于这种爆炸，在宇宙诞生一段时间之后，这些随机产生的爆炸带来的压力促使宇宙向外膨胀。宇宙的规模越大，其中的暗能量数量就越大，这就使得宇宙的膨胀速度越来越快。

　　还有一种理论，试图用第五元素的概念来解释暗能量。第五元素虽然十分接近于真空，但是随着时间的推移，这种元素会发生变化。关于暗能量的理论还有很多，其中的一种理论将暗能量与暗物质归结到一起，提出了暗流体的概念。这一理论在极大程度上改变了引力的作用机制。另一种理论认为，暗能量虽然现在的表现形式为斥力，但是可能会在未来转变为引力。

　　到那时，宇宙会在这种引力作用下停止膨胀，并且开始向内收缩，最终坍塌。宇宙中的所有物质将会挤成一团，缩小到和质子一样大。

　　还有一些科学家认为，通过对1A型超新星研究得到的红移结果，并不能作为宇宙正在加速膨胀的证据。这种极大尺度的观测和计算，可能受到很多不确定因素的影响。从哥白尼创立了日心说，证明地球是围绕太阳旋转的一颗普通行星开始，科学家们就认为，人类的生存环境在宇宙中是普通、常见的。所以，科学家们同样认为，从地球观察到的宇宙是普适的，在宇宙的其他地方能够看到的现象，与我们能够看到的一样。

　　根据这个理念，我们对宇宙的结构做出了推断。因为观测到了遥远空间射向地球的光的温度均匀，结合宇宙的膨胀现象，我们就推断宇宙的膨胀是均匀的。这一理论通过观察到的均匀分布的星系和形体团得到了进一步证明。但是是否存在一种可能，那就是尽管人类已经观测到了相当大的宇宙空间，但是从宇宙的尺度上来说，这些只是极小的一部分呢?好比一只昆虫在平原上极目远眺，所见之处尽是平坦的土地，但是它并不知道，其他地方还有海洋和高山。

　　在我们所处的这个宇宙之外，可能存在其他宇宙。这些宇宙的分布是不均匀的，呈泡状结构。如果地球位于一个泡状宇宙的中心地带，那么在地球上对宇宙进行观察时，泡状宇宙边缘的超新星看起来就是加速远离地球的。但是到目前为止，人们还没有发现相关的证据。主流观点仍然认为，宇宙是在加速膨胀的。研究人员通过对深空星系的观察和测量，进一步证明了这一观点。还有一个证据是，科学家在计算出了星系的总引力后能够得出星系坍缩的速度，但是事实上星系并没有发生坍缩，这说明星系中存在一股很大的斥力，也就是说仍然受到暗能量的作用。

　　暗能量是现代宇宙学的一个重要发现。但是从宇宙的长远发展来看，在很久以后，可能人类再也无法感受到暗能量在宇宙中的存在了。目前，银河系与室女座超星系团仍然有着相当远的距离，但是终有一天银河系将被拉扯进这个星系团里。到了那时，银河系与其他星系会合并为更大的超级星系。如果宇宙仍然在加速向外膨胀，那么现在天幕上能够观测到的众多星系与星系团将以光速消失。到了那时，因为没有了观测依据，人类将不会获得更多关于时空演变的知识，也不会有比现在更宽广的科学视野。现在，科学家们从宇宙中一点点地搜集光子，想要获得关于宇宙中的暗能量的更多信息，但是这些神秘的物质正在离我们远去。

　　二、暗物质的组成和分布

　　1932年，来自美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基最早提出了有关暗物质的证据，并且认定了暗物质是真实存在的。他在对螺旋星系的旋转速度进行观测时，发现星系旋臂的外侧比预期的旋转速度要快，所以他认为，在星系外侧一定有一个巨大的质能。正是因为这一质能的存在，才让星系外侧的物质能够在强大的离心力作用下仍然没有离开星系。他发现，这些星系团中的星系运动速度是如此之快，如果在星系团外部没有一个力约束着它，那么它的质量需要达到目前通过观测计算出的数值的100倍，才有可能通过自身的引力来束缚住自己。

　　起初，暗物质仅仅作为一个猜想被提出，但是在接下来的几十年里，科学家们通过数据和事实证明了暗物质的确存在。到了20世纪80年代，虽然人们仍然不了解暗物质的性质，但是已经能够基本认定，宇宙中的暗物质大约占宇宙总能量密度的20%。

　　关于暗物质是否存在，科学家们直到1978年才通过测量物质绕着星系的运行速度提出可信的证据。我们在计算太阳的质量时，是通过日地距离以及地球围绕太阳进行公转的速度来测算的。按照这一方法，如果我们知道了一个物体距离星系中心的距离，并且知道它围绕星系运转的速度，就能计算出整个星系的质量。在使用这样的方法进行计算时，得出的星系质量比我们能够观测的星系中所有星体的总质量要大得多。

　　尽管科学家们对暗物质进行了许多观测，但是直到2011年，人们还是无法了解它的全部成分。关于暗物质的早期理论主要认为暗物质就是无法观测到的一般物质，比如生命走到尽头的恒星以及黑洞等。这些星体通常属于大质量致密天体，但是直到现在，人们仍然没有找到足够多的这种天体来解释暗物质造成的影响。

　　在很长一段时间里，只存在于假说中的基本暗性粒子被认为是最有可能的暗物质粒子。这种粒子的寿命很长，而且具有温度低和无碰撞等特性。由于这种粒子的温度很低，所以在脱耦时属于非相对论粒子，并且能够在引力的作用下迅速结合在一起。它们的寿命与当今宇宙的年龄一样，或者比宇宙的年龄更大。

　　因为这些粒子是在一个比哈勃视界还要小的范围内开始结合的，因此与整个宇宙的尺度相比，这个范围显得非常小。最先形成的暗物质聚集体或者暗晕与银河系相比要小得多，而且质量也更小。宇宙开始向外膨胀，哈勃视界也随之增大，早期的暗物质聚合体会渐渐合并成更大的规模，这些尺度较大的结构经过互相合并，变得越来越大。这样造成的结果是形成各种形状的暗物质聚合体，具有不同的质量，与观测保持一致。

　　但是对相对论粒子来说，发生的情况正好相反。比如中微子在引力作用下结合成一团时，因为本身具有过快的速度，因此不能组成我们观测到的结构。从这一点来看，中微子对暗物质密度的形成起到的作用可以忽略不计。对太阳的中微子质量测量得出的结果与这个结论是一致的。

　　暗物质粒子的无碰撞特性是指暗物质之间或暗物质与普通物质之间存在的相互作用十分微小，甚至可以被忽略。它们单纯靠引力把彼此约束在身边，在整个暗物质晕中做轨道运动，该轨道很宽并且具有很小的偏心率。

　　英国科学家里斯认为，暗物质有几种可能的存在方式。一种可能是之前提到过的小质量的恒星;一种可能是超大质量恒星在很久之前坍缩形成的相当于太阳质量200万倍的超大黑洞;还有一种可能是一些特殊的粒子，比如我们提到过的中微子、轴子，以及其他一些科学家们认为可能存在的粒子。

　　粒子物理学家伊利斯认为，星系团和矮星系的暗物质晕中的暗物质最有可能的组成部分是S粒子。这种粒子来自超对称理论，该理论称，所有粒子的基本粒子都存在和它对应的粒子，比如光子对应着光微子。伊利斯认为组成暗物质的粒子可能是光微子、中微子、希格斯微子和引力粒子。同时科学家也认为，这些粒子可能组成了星系团之间的广袤空间中的冷暗物质。暗物质之间也存在引力，星系团中的数十亿颗恒星就是在暗物质的引力作用下形成了各个星系。

　　到目前为止，人类能够在实验室环境中发现的唯一的暗物质粒子就是中微子，这种粒子的质量几乎为零，而且在全部暗物质中占的比例非常小。科学家们认为，余下的大多数暗物质粒子是由大质量弱相互作用粒子构成的，这些粒子比质子的能量大10～1000倍。当两个暗物质粒子相撞时，就会发生湮灭现象，并释放出γ射线。

　　当一个星体的生命发展到某个阶段时，温度开始降低，无法向外释放能够被观测到的能量信号，所以不能被人类观测到，这时就表现为暗物质。这些暗物质也被称作重子物质。还有一种暗物质，是由中性稳定粒子构成的，它们具有静止质量。这种粒子形成的星体无法向外释放电磁信号。这种暗物质就被称为非重子物质。

　　还有人认为低温无碰撞物质是暗物质可能的组成部分。一个原因是，通过模型计算出的这种物质的结构与实际观测的结果是一致的。另一个原因是，大质量弱相互作用粒子能够对这些物质在宇宙中的丰度做出合理的解释。当粒子间具有弱相互作用时，宇宙诞生的最初一瞬间，这些粒子之间会形成热平衡。在这之后，它们彼此碰撞并发生湮灭，平衡被打破了。通过对离子间相互作用的截面来计算，这些物质在宇宙占全部能量密度的20%～30%，这一结果与观测事实是相符的。

　　还有一个原因是，在低温无碰撞物质的理论中，预测了一些有很大可能组成暗物质的其他粒子。还有一种可能组成暗物质的粒子是中性子。这是一种通过超对称模型得出的粒子。这一理论是超引力和超弦理论的基础，在这个理论中，每个已知的费米子都需要和一个玻色子伴随存在，同时，每一个玻色子也伴随着一个费米子。如果宇宙从诞生之日就保持着超对称的形态，那么这些伴随粒子也将保持相同的质量不变。但是，宇宙在早期发展过程中不再保持超对称，导致伴随粒子的质量发生了改变。

　　而且绝大多数超对称的伴随粒子十分不稳定，当宇宙的形态发生变化之后就随之衰变。但是，其中质量最小的伴随粒子没有发生衰变。在最基本的理论模型中，这些粒子表现为电中性，并且彼此之间呈弱相互作用。所以这种粒子也有很大的可能是大质量弱相互作用粒子。

　　如果中性子组成了暗物质，那么当地球穿过太阳系中的暗物质时，位于地表以下的探测器能够搜寻到这种粒子。还有一点需要注意的是，这个探测结果无法证明大质量弱相互作用粒子就是暗物质的主要组成部分，在目前的实验环境中无法确定这些粒子在暗物质中所占的比重是大还是小。

　　另外一种可能构成暗物质的粒子是轴子。这是一种中性粒子，质量非常小。在宇宙的大统一理论中，轴子起到了十分关键的作用。在两个轴子之间，存在十分微弱的相互作用力，所以轴子无法保持热平衡，并且无法对它在宇宙中的丰度进行合理的解释。宇宙中的轴子处在低温玻色子凝聚状态。目前，科学家们已经建造了用来探测轴子的探测器，研究工作正在展开。

　　一些科学家开展了一项名为“低温暗物质搜寻计划”的科研项目，旨在发现低温暗物质粒子。来自美国明尼苏达大学的科学家安吉拉·雷塞特尔参加了这项研究，她认为，我们周围有一股暗物质粒子，时刻都在发生着相互作用。雷塞特尔在最新发表的论文中说，她和她的团队成员在最近的实验中发现了两起事件，可能是暗物质对探测器撞击造成的。

　　但是目前科学家们尚无法确定这两起事件中观测到的信号是由什么粒子造成的，可能是暗物质粒子也可能是其他粒子，因为这两个信号实在是太小了。据参与研究的科学家说，他们实现建立的模型对这种情况有准确的预测，认为可能会出现疑似暗物质的假信号。这个“低温暗物质搜寻计划”在未来将继续进行，希望能够发现更多有实际意义的事件和信号。

　　还有一些科学家通过粒子加速器来尝试在地球上搜寻暗物质。利用强大的粒子加速器，我们能够把粒子加速到接近光速，并让它们彼此碰撞。通过这样的高速对撞，科学家渴望找到新的粒子，比如暗物质粒子。

　　但是，即便科学家们已经使用功能最强大的粒子加速器来进行实验，到目前为止也没有发现更多暗物质存在的迹象。人们可能会追问造成这一现象的原因，在宇宙中占据大多数的物质为什么无法被观测到?美国科学家萨拉表示，可能是因为人类目前为止制造的加速器仍然不够强大。因为科学家们不能确定暗物质的粒子到底有怎样的体积和密度，需要使用多大的能量才足以观测到它们的痕迹。也许，利用加速器无法发现暗物质。萨拉认为，可能科学家并未意识到一个残酷的事实，那就是我们无法人为地制造或者观测到暗物质粒子。

　　到2006年初，人类对暗物质的研究取得了新的进展。剑桥大学天文研究所的科学家们有史以来第一次确定了一些暗物质的物理性质。同一年，美国科学家在使用钱德拉X射线望远镜观测一个星系团时，意外地观测到了两个星系发生碰撞的过程。这样的大规模碰撞具有强大的威力，把普通的宇宙物质与暗物质撞开了，借此我们能够直接观测到暗物质，这为暗物质的存在提供了直接证据。

　　2007年，科学家公布了史上第一份暗物质分布图。70多名研究人员历经4年的不懈努力，终于制作出了一幅三维图像。在这份图中，科学家们描绘了以地球的视角出发观察天空时，8个满月在天空所占空域范围内的暗物质分布轮廓。科学家们使用引力透镜的原理绘制出了这张图。一位来自马赛天文物理实验室的科学家也参加了暗物质分布图的研究和制作，据他说，这张图表现出的图景在过去的25亿年间基本没有发生过改变，能够认为这片宇宙中的暗物质就呈现出这样的形态。

　　2007年，约翰斯·霍普金斯大学的天文学家们在《天体物理学杂志》上发表文章，称他们在用哈勃望远镜进行观测时，在距离地球相当遥远的星系团中发现了形成环状的暗物质。科学家们认为，这一结果是目前能够确定暗物质真实存在的最关键的证据。参与了这项研究的天文学家詹姆斯·杰认为，这是有史以来第一次直接观测到这种环状分布的暗物质，它与这个星系团内部的其他物质具有完全不同的结构。这个结果能够让天文学家们更好地认识普通物质与暗物质之间存在的区别，以及研究引力对暗物质能够造成怎样的影响。

　　科学家们于2009年在位于美国明尼苏达州的Souden煤矿里发现了暗物质。这一发现是暗物质最有力的实物证据。同时，其他科学家们也在通过实验来搜寻暗物质留下的痕迹。当暗物质之间发生碰撞时，能够被观测到，粒子的碰撞能够发出γ射线，这一现象被称为物质湮灭。美国的费米太空望远镜就是旨在通过这一现象来观测暗物质的，但是到目前为止还没有发现。

　　意大利科学家在暗物质的研究方面也进行了一些探索。2011年，他们对暗物质的研究与其他类似的研究发生了矛盾。探测结果表明，距离银河系大约16万光年的大麦哲伦星系可能正是由于暗物质的帮助，才没有被银河系的引力撕碎。

　　到了2013年，对暗物质和暗能量的探寻以及对宇宙的起源和进化的研究，成了21世纪的天文学和物理学的发展方向。华裔物理学家、诺贝尔奖获得者李政道博士曾经说过，对于20世纪末和21世纪初的物理学界来说，暗物质是一团最大的疑云，对它的研究代表着物理学将发生一次新的革命。

　　2013年4月3日，日内瓦的欧洲核子研究中心传出了关于暗物质的好消息。诺贝尔奖获得者丁肇中教授宣布，他带领的科学家团队在经过长达18年的研究后产生了第一个实验结果，这将是人类在探寻暗物质道路上的一个重要里程碑。利用阿尔法磁谱仪，丁肇中团队发现了40万个正电子。正电子是一种反物质，它和暗物质是有区别的。但是这些正电子有可能来自同一个地方，那就是脉冲星或者是暗物质。这个实验结果让人类对物理学和天文学有了全新的认识和理解，让人们对这个研究项目的下一个结果有了更多的期待，因为这一结果可能会确定暗物质的真实存在。

　　半个月之后，美国物理学会发表研究报告，表示他们通过实验发现了大质量弱相互作用粒子的较强信号，这意味着他们可能发现了暗物质，概率达到99.8%。一年之后的4月18日，来自中国的丁肇中团队在日内瓦召开了成果发布会，公布了最新研究成果，认为暗物质可能是宇宙射线中存在的大量正电子的来源。在之前的研究中，科学家们认为暗物质具有6个特征，而这一实验结果已经确认了其中的5个。

　　在距离地球38亿光年的地方，有一个被称作子弹星系团的暗物质星系团。科学家们可以通过对这个星系团的研究来分析暗物质对其他物质造成的不可见的影响。这个子弹星系团是两个星系团发生碰撞造成的结果，普通的宇宙物质在碰撞中损失了能量，运动的速度变得缓慢。但是与此同时，暗物质之间彼此穿过，产生的相互作用几乎可以忽略不计。

　　科学家们利用大视场太空望远镜，能够发现亮度低于14星等的矮星，这些矮星的质量还不到太阳的一半。根据太阳在银河系中的位置，我们能够计算出这些M型矮星的数量，进而得出这些矮星的质量能够达到银河系尚未被观测到的质量的一半。而且因为这些矮星能够持续发光几万年，所以科学家们推测，银河系中有很多类似的恒星在生命结束后留下无法被观测到的残骸，它们的质量就相当于理论上计