披着隐身衣的宇宙幽灵

○席金合

如果问宇宙中有哪些东西，恐怕很多人会回答：天上的日月星辰，地上的江河湖海，还有我们周围的各种草木生灵……其实，这种“眼见为实”的想法，不完全正确。殊不知，在广阔的宇宙空间，还有大量我们看不见、摸不着的神秘物质。它们的家族十分庞大，与暗能量一起，占整个宇宙构成的95%以上。这就是被人们称为“披着隐身衣的宇宙幽灵”的暗物质。由此看来，我们人类对宇宙的认识，还极其有限。

星系把质量弄丢了？

我们知道，星体的运行速度与受到的引力大小有关，而引力的大小，与星体和吸引它的天体的质量以及二者之间的距离有关。在太阳系中，离太阳越远的行星，受到的引力越小，绕太阳公转的速度也越慢。比如，离太阳最近的水星公转的速度约为48 千米/秒，而海王星的公转速度仅约5 千米/秒。

科学家推断，星系中的恒星，应该也遵循这样的规律：距星系中心越远的恒星，围绕中心运转的速度也较慢。然而，让人感到意外的是，上世纪70 年代，美国天文学家薇拉·鲁宾通过观测仙女座星系发现，星系中远近不同的恒星，运转速度竟然不相上下，并不是离星系中心越远，运行就越慢。那么，是什么为星系边缘的恒星提供了额外引力，保证了它们较高的运转速度呢？

宇宙中暗物质的占比

恒星旋转速度与到星系中心距离关系图像

薇拉·鲁宾

由于距离是恒定的，我们只能从质量方面找原因：究竟是星系中心还有未发现的更大天体，还是处在星系外围的恒星自身质量很大？然而，科学家通过精确测算发现，并不存在上面怀疑的情况。奇怪！难道仙女座星系把一部分质量给弄丢了？后来，薇拉·鲁宾大胆推测，星系中存在大量暗物质，为恒星高速运转提供了足够的引力。

此后，许多天文学家又运用多种手段，进行了一系列复杂的探测和研究，一致认为宇宙中的总质量，远远高于所有已知天体的质量，其中多出的部分，由暗物质提供，这进一步证明了暗物质的存在。因此，不但星系的质量没有缺失，而且暗物质也高度稳定，自宇宙诞生之初就已存在，总量一直保持恒定。

不难想象，如果没有暗物质，或者它在宇宙中的占比不断变化，那么所有天体就会失去恒定的引力，从而到处乱窜乱碰，成为一盘散沙。这样一来，包括太阳在内的所有恒星，乃至我们居住的地球，不知已经毁灭了多少次，人类也早已不在这个世界上了。所以，暗物质是星系的“黏合剂”。正是由于它参与了引力作用，才使得所有星系得以形成，并维系着所有天体，使其有条不紊地昼夜运行。也正是因为这样，才使得我们头顶的星辰大海，是那样和谐、稳定和壮观。

“穿墙术”不再是神话

暗物质虽然是宇宙的主要组成部分，但它不同于人类目前发现的任何物质。它究竟是何物？有什么特点呢？由于目前人们还没有直接观测到它，难以揭开其“庐山真面目”。不过，科学家根据它无法让人看见、难以探测、有质量、可产生引力的特征，提出了假设：暗物质不会向外辐射电磁波，也就是不发光和不释放射线。并且，构成暗物质的粒子，与中微子极为相似。

大家知道，中微子与夸克一样，是目前所知的构成这个世界的最小粒子。它不带电，质量甚至小于电子的百万分之一，以接近光的速度运动，与光子、电子、质子等常见的基本粒子间，产生的引力或斥力极其微弱，几乎不发生相互作用。因此，中微子的穿透力极强，能从地球的中心穿越而过，如同光线通过玻璃一样。

如果暗物质粒子也是这样的话，正如西湖大学校长、结构生物学家施一公在一次学术演讲时所说：人的身体眨眼间会有成吨暗物质穿过，而人却感觉不到。这类似于古典神话小说中的情景：一个功法高超的道人，让自己的弟子将头对准一堵高墙，他大喊“钻过去”，结果弟子真的瞬间站在了墙那边，而人和墙都安然无恙。以常理看，这完全不可能，非得碰个头破血流不可！但试想，假若人或墙的一方是暗物质，“穿墙术”就不再是神话。

中微子

须知，两个物体不能互相穿越的原因，并非二者都是实心，而是互相之间的排斥力极大，被“阻挡”住了。实际上，从微观上看，所有的物体都非常空虚，内部粒子间的空隙要比粒子本身大得多，互相之所以不能渗透通过，主要是构成它们的粒子之间有很强的排斥作用。而暗物质则不同，它与其他物质的粒子间，几乎没有排斥力。这就使“穿墙术”成为可能。

央视《走近科学》栏目曾播放：1994 年7 月16 日，家住黑龙江省五常市凤凰山下的农民孟照国，晚上准备睡觉，突然看到一个将近3 米高的“外星人”穿墙而入，又拉着他穿墙而出，进入停在山坡上的一个“飞碟”里。他恍惚之中，听“外星人”说，他们来自银河系外一个遥远的星球，这次来地球是为了躲避星体相撞灾难……

此事惊动黑龙江科委，专家调查后认为，孟照国产生了幻觉，是在无意识地说谎。而著名UFO 研究者张靖平通过心理测试，认为孟照国没有说谎。这事一时众说纷纭。但它能引发我们畅想：假如真有高智慧的外星文明个体，它们有可能把暗物质特性迁移到自己身上，以便在星际旅行中穿过一切障碍物。

设法捕捉宇宙幽灵

暗物质除了对天体产生引力外，几乎不与任何物质发生作用，总是悄无声息地在宇宙中独自穿行，就像神秘的幽灵一样，很难捕捉。所以，我们不能像对待其他天体那样，直接观察和探测它。但是，我们可以通过暗物质对普通物质产生的影响，间接地观测它。这就好比我们看不见风，却能通过旗帜飘动来感知风的存在。目前，科学家探测暗物质的方法主要有以下几种：

引力透镜法：众所周知，天体质量越大，产生的引力就越大，则光线从它附近经过时，会受到吸引而发生弯曲，就如同透镜能使光线弯曲一样，这就是引力透镜效应。据此，只要发现光线经过虚空的区域而弯曲了，就表明那里存在暗物质。

地下接收法：由于暗物质穿透力极强，因此可在千米深的坑洞建立实验室，借助厚厚的岩层，隔绝来自宇宙的一切射线干扰，让穿入地下的暗物质，打在灵敏仪器的接收屏上，产生微弱的信号，以期观察到它。目前，全球有十几个这样的实验室。在我国四川锦屏山下，建有世界上隔绝性最好的地下实验室。可是，人类用这种方法探索了30 多年，一直没能捕捉到暗物质信号。

引力透镜原理示意图

白雾状区域是用引力透镜法测出的暗物质分布区

年轻的彭新华教授

太空收集法：宇宙空间的暗物质，在相互碰撞湮灭时，会产生我们熟知的电子、质子、中子、光子等粒子流。据此，可利用卫星和空间站搭载的仪器，收集这些粒子流的信号，证明暗物质的存在。2015 年，我国发射的“悟空”号卫星，就是一颗探测暗物质粒子的卫星，也是我国的第一颗天文卫星。

对撞实验法：高能粒子发生对撞时，可能产生暗物质粒子或其他新的粒子。如果对撞产生了这些粒子，虽然仪器难以直接检测，但能探测到对撞产生的总能量缺失现象，这是不可见新粒子产生时的显著特征。再结合其他手段，就能确定这些新粒子是否为暗物质粒子。

磁场测量法：理论预测，暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用，这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场——“赝磁场”。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的“赝磁场”，以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。据报道，中国科学技术大学彭新华教授研究组与德国科学家合作开发出一种新型超灵敏量子精密测量技术，通过放大暗物质产生的“赝磁场”，并提高原子磁力计的磁探测灵敏度，从而大大提高了暗物质的搜寻灵敏度，实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级。

总之，暗物质究竟是啥东西？真的存在吗？对此，目前全世界的科学家还没有确切结论。现有的一知半解，只是科学家的慎重猜想和严谨推断。那么，探测暗物质到底有什么用呢？岂不知，人类在18 世纪探究电为何物时，也不能料到今天电的运用无处不在，并在推动经济和社会发展方面具有不可替代的作用。何况，暗物质可能关乎宇宙的最初奥秘，并决定着宇宙的未来命运。我们相信，随着科学家的接续努力和探测手段的日益先进，在不久的将来，人类必定能揭开蒙在暗物质头上的神秘面纱，看到它的真容！