什么是暗物质
暗物质（Dark Matter）是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量非常庞大。
自从牛顿发现了万有引力定律以来, 人们就一直尝试用引力理论来解释各种天体的运动规律, 在这个过程中, “暗物质”的概念很早就已经形成了。
现代意义下的暗物质概念是瑞士天文学家家弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky） 早在1933 年研究后发星系团中星系运动的速度弥散时就提出来了。他根据所测得的星系速度弥散并应用维理定理得到了后发星系团的质光比, 发现其比太阳的质光比要大400 倍左右。
1934 年，他在研究星系团中星系的轨道速度时，为了解释“缺失的物质”问题
而正式提出了暗物质的概念． 但当时并没引起太多的关注，直到40 年后，人们在研究星系中恒星的运动时遇到类似的困难: 人们发现如果仅考虑可见( 发光) 物体彼此之间的相互吸引力，
那么各式各样的发光天体( 包括恒星、恒星团、气状星云，或整个星系) 运动的速度要比人们预想的快一些。
暗物质存在最直接的证据来自于漩涡星系旋转曲线的测量。通常测量的旋转曲线在距离星系中心很远的地方会变平, 并且一直延伸到可见的星系盘边缘以外很远的地方都不会下降。如果没有暗物质存在, 很容易得到在距离很远的地方旋转速度会随距离下降: v(r)= GM(r)
! r ∝ 1
!r
因此, 平坦的旋转曲线就意味着星系中包含了更多的物质。
2003 年，Wilkinson 微波背景各向异性探测( WMAP) 、Sloan
数字巡天( SDSS) 和最近的超新星( SN) 等天文观测以其对宇宙
学参数的精确测量，进一步有力地证实了暗物质的存在． 这在人
类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成
就． 最新数据显示，在宇宙能量构成中，暗能量占72%，暗物质占
23%，重子类物质只占了5%左右．
暗物质的探测
暗物质的探测可以分为如下3 种方法。
第一种是在高能对撞机上将暗物质粒子“创造”出来，并研究其物理性质。 随着欧洲核子中心的大型强子对撞机( LHC) 的投入运行，暗物质的候选者很有希望在继标准模型中的Higgs 之后在LHC 上产生并被探测到。第二种方法是间接探测法。 该方法是观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定可见粒子的信号，例如γ 射线、中微子、正电子、反质子等信号．。国内的西藏羊八井宇宙线实验基地可进行这方面的探测。第三种方法称为直接探测法。
暗物质直接探测实验是目前最重要的探测方式, 其基本原理非常简单。由于银河系中充满了暗物质粒子并且不断地穿过地球, 因此我们可以用一个探测器来捕捉暗物质的信号。为了屏蔽掉来自宇宙线的背景信号, 通常要把探测器放置在很深的地下。目前的实验精度下, 我们
只可能探测到弱作用重粒子(WIMP) 的信号, 而更弱的信号, 如axion、gravitino 是无法用这种方法探测的。
目前, 世界上有20 几家直接探测实验正在运行或即将投入运行, 探测技术也在不断发展更新中, 然而直到现在, 仍然没有确切的暗物质信号被探测到, 因此对WIMP 与核的反应截面给予了很强的限制。目前最灵敏的直接探测实验是位于美国苏丹地下实验室的CDMSII (Cryogenic Dark Matter Search) 实验[1], 其目前给出WIMP 与每个核子的作用截面的上限为10- 43～10- 42 cm2。
暗能量
在物理宇宙学中，暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中，暗能量占据宇宙68.3%的质能。
1998年美国的两个超新星( SNe)研究小组根据他们的观测数据发现, 我们的宇宙不是人们以前认为的在减速膨胀, 而相反是在加速膨胀[ 11, 12] 。根据万有引力定律, 所有的物质之间
都存在相互吸引力,所以宇宙中物质之间的相互吸引力必定使得宇宙的膨胀速度变慢, 即宇宙膨胀应该是减速的。因此, 宇宙的加速膨胀表明宇宙中应该存在一种斥力(负压
强)的能量成份。这一成分在现代宇宙学研究的文献中被称为暗能量。相继大量不同类型的天文观测, 如宇宙背景辐射( CMB)、宇宙大尺度结构中的重子声学震荡( BAO )、引力透镜( GL)等, 都表明宇宙中确实存在着这一暗能量成分。
暗能量的探测
宇宙中存在暗能量的最直接观测证据来源于Ia型超新星观测。用它测量宇宙中超新星的光度距离和红移, 依此可推断宇宙膨胀的规律。最近给出的最大Ia型超新星样品组合包括397个超新星数据的Constitution。第二个重要的证据来源于宇宙微波背景辐射各向异性的精确测量。宇宙微波背景涨落的测量表明我们的宇宙是空间平坦的。这一结果结合超新星测量表明暗能量在宇宙中占有73% 左右, 而物质占27%。其它暗能量的观测证据包括: ( 1) 11超新星Integrated Sachs-Wolfe Effect ( ISW ) —— 暗能量的出现影响了CMB 大尺度的各向异性。( 2) WGL ( weak gravtationallensing )是探测暗物质和其成团性的强有力工具, 在2000年有4 个研究组宣布观测到这一信号。( 3) X-ray clusters测量得到星系团中辐射X射线的气体与总质量之比也
预示着暗能量的存在。
暗能量与暗物质的相互作用一决定着宇宙未来的命运
从实物观到场的物质观是人类物质观念的第一次飞跃, 从暗能量到暗物质的认识应是人类对物质观念的又一次飞跃。人类的物质观是随着科学的飞速发展而不断深化和丰富着的。 实物和场在一定条件下, 既相互作用又相互转化。 暗能量和暗物质在一定条件下也可以相互作用, 相互转化。暗能量的排斥引力与暗物质的吸引引力相似于分子间所存在的引力和斥力, 既相互作用又相互制约。 暗物质的吸引引力推动了宇宙结构的形成; 暗能量的排斥引力则推动着宇宙的加速膨胀。暗能量和暗物质是辨正的统一体。两者之间的这种相互作用、相互制约、相互转化, 仿佛变幻着从无到有又从有到无的魔术, 它使我们再次感悟到爱因斯坦质能方程的深刻意义.。即物质和能量是密不可分的统一体, 没有脱离物质的能量; 也没有不存在能量的物质; 只有将物质与能量作为辨证统一体看待, 才能真正认识什么是物质, 才能更深刻地了解物质、空间和时间的本质，从而对宇宙的未来命运更加清晰。
参考文献：《主宰宇宙命运的暗能量和暗物质》张怀德
(德州学院物理系,山东德州2 5 3 0 2 3)
《暗物质与暗能量研究新进展》 蔡荣根， 周宇峰
（中国科学院理论物理研究所, 北京100190）
《宇宙中的暗物质》乔庆鹏 ，张向丹
( 1． 河南教育学院理论物理重点学科组，河南郑州450046; 2． 新乡学院物理系，河南新乡453003)
《寻宇宙中的暗物质》 毕效军/BI Xiao- Jun
（中国科学院高能物理研究所, 北京100049）
《DARK MATTER SUBSTRUCTURE WITHIN GALACTIC HALOS》
(B. Moore, S. Ghigna, F. Governato, G. Lake2, T. Quinn, J. Stadel, P. Tozzi)
《The Structure of Cold Dark Matter Hole 》
(Julio F. Navarro. Carlos S. Frenk . Simon D.M. White )
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