2003年年底以來，從國內(nèi)外眾多刊物和媒體評選出的2003年世界十大科技進展新聞看，物質(zhì)本源及生物起源仍是世界科技關(guān)注的重點，入選的多項科技進展都屬于這一領(lǐng)域。其中，"科學家發(fā)現(xiàn)暗能量存在的直接證據(jù)"這一物質(zhì)本源研究進展更是受到廣泛關(guān)注。如美國“科學”雜志評出年度十大科學成就時評價說，“明確宇宙能量分布，找到暗物質(zhì)和暗能量存在的新證據(jù)，是2003年所取得的最重大的科學突破。”

2003年7月23日，美國匹茲堡大學斯克蘭頓（Scranton）博士領(lǐng)導(dǎo)的一個多國科學家小組宣布，他們借助美國“威爾金森微波各向異性探測器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）（右圖）的觀測數(shù)據(jù)（觀測宇宙微波背景輻射的微小變化），發(fā)現(xiàn)了暗能量存在的直接證據(jù)。作為“大爆炸”的“余燼”，宇宙微波背景輻射大約在“大爆炸”后38萬年產(chǎn)生，其中的光子在宇宙中穿行時會經(jīng)歷一系列物理過程，特別是在經(jīng)過質(zhì)量較大的星系時，這些光子將遭遇“引力陷阱”。探測結(jié)果顯示，宇宙年齡約為137億年，宇宙由23％的暗物質(zhì)，73％的暗能量，4％的普通物質(zhì)組成。宇宙中所占比例最多的東西反而是人類最遲也是最難了解的，至今僅知道它們存在著，但還不清楚它們的性質(zhì)?！　?/FONT>

暗物質(zhì)

普通物質(zhì)是那些在一般情況下能用眼睛或借助工具看得著的東西，即使藏身于最黑暗的角落，只要有光照總能發(fā)現(xiàn)它們。

誰最先發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)呢？二十世紀30年代，瑞士天文學家茨威基（Fritz Zwicky，1898-1974）（左圖）發(fā)表了一個驚人結(jié)果：在星系團中，看得見的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見的。茨威基首先發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在，他的發(fā)現(xiàn)大大推動了物理學的發(fā)展，他對科學的重大貢獻是不可估量的。但當時許多人并不相信茨威基的結(jié)果。由于暗物質(zhì)根本不與光發(fā)生作用，更不會發(fā)光，在天文上用光的手段絕對看不到暗物質(zhì)。（右圖為茲威基正在望遠鏡前觀察）

萬物之間存在萬有引力，太陽系的九大行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)（左圖），越往外其轉(zhuǎn)動的速度越低，比如地球繞日速度是每秒30公里，高于火星，而火星的速度又高于位于它之外的木星，這是典型的中間有一顆大恒星的行星系表現(xiàn)。

二十世紀70年代初，科學家在觀測宇宙其他一些星系（包括銀河系（右圖））中的恒星運行速度時就發(fā)現(xiàn)，越往外，圍繞中心的速度并不都是衰減下去，而是和內(nèi)圈恒星的速度差不多。這與越往外，物質(zhì)越少，引力也越小，速度也應(yīng)該越低的常規(guī)不符。由此反推，此時雖然外圈的那些能被直接觀測到、數(shù)出來的星星數(shù)目變少了，但其實內(nèi)部的物質(zhì)數(shù)量并沒有減少，引力也沒有變小，只不過觀測不到而已，科學家們大膽地猜測：宇宙中一定有某些物質(zhì)沒有被我們的天文觀測所發(fā)現(xiàn)，這些物質(zhì)被稱為“暗物質(zhì)”。

UGC10214星系是天文學家們發(fā)現(xiàn)的一個典型例子（左圖），其中的物質(zhì)不停地向它自己的外圍流出，但在其外圍卻看不到任何別的星系存在。據(jù)猜測，該星系的旁邊存在著一種“暗星系”，這些物質(zhì)流就是在暗星系引力的作用下才流出來的。

科學家認為，通過測量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動的速度可以找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)。根據(jù)人造衛(wèi)星運行的速度和高度，就可以測出地球的總質(zhì)量。根據(jù)地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質(zhì)量。同理，根據(jù)物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系范圍內(nèi)的總質(zhì)量。計算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，星系的總質(zhì)量遠大于星系中可見星體的質(zhì)量總和，推算的結(jié)果：星系中的暗物質(zhì)約占宇宙物質(zhì)總量的20-30%。

暗物質(zhì)的物理組成到底是什么？科學家們早先推測它可能由一種不帶電的、質(zhì)量很輕的、數(shù)目繁多的中微子構(gòu)成，中微子的運動速度很快，可稱之熱暗物質(zhì)；相對的，候選者還有可能是種質(zhì)量大的、運動慢、引力大的冷暗物質(zhì)粒子。天文學家后來在實際的觀測和計算當中發(fā)現(xiàn)，答案更傾向于后者。冷暗物質(zhì)粒子很可能是宇宙早期遺留下來的穩(wěn)定、只有弱作用的重粒子（WIMP）。

2003年7月28日，以享克-霍克斯特（Henk Hoekstra）為首的加拿大多倫多大學（York University in Toronto）的天文學家成功測出了看不見的星系光暈（Dark matter halos）(也稱暈圈，星系光環(huán))的大小并確定了其形狀（左圖）。根據(jù)最新的天文學理論，這些星系由暗物質(zhì)構(gòu)成。多倫多大學的天文學家解釋稱，這些光暈的體積要比看得見的星系(也就是發(fā)光物質(zhì)——星體)體積大5—8倍。

享克-霍克斯特與他的同事霍華德-伊（Howard Yee），以及目前在加利福尼亞帕薩迪納(Pasadena)天文臺工作的邁克爾-哥拉德（Michael Gladders）等在各自的研究中都運用了“引力透鏡”（gravitational lens）效應(yīng)(即質(zhì)量龐大的天體通過引力作用使其它光源發(fā)出的光線在行進過程中發(fā)生偏離和扭曲)（右圖）。天文學家們通過測算光線與光源之間的偏移度就可以對那些借助任何儀器都難以觀察得到的天體進行研究。

天文學家利用1億像素的數(shù)碼照相機和安裝在夏威夷島上的大功率天文望遠鏡（Keck）（左圖），對150多萬個被附近12萬個星系的“引力透鏡”所扭曲的遙遠星系的形狀進行了研究。這一研究過程從1999年開始持續(xù)了兩年，然后又花了兩年時間對所獲取的數(shù)據(jù)進行處理。最后得出結(jié)論：這些看不到的光暈被急劇“削弱”而形成雞蛋狀或橄欖球狀。

享克-霍克斯特還指出，我們所在的星系—銀河系的光暈超過50萬光年，其質(zhì)量約為太陽的8800億倍。

這一研究數(shù)據(jù)再次證實了當前被天文學界普遍接受的理論——宇宙充滿著“冷暗物質(zhì)”，也就是運動較緩慢的微粒(與快速運動的“熱”微粒相區(qū)別)（“熱暗物質(zhì)”占的比例極?。?。這一研究結(jié)果還為其它宇宙模式理論給予了必要的沖擊。因為目前一些科學家試圖發(fā)展另外一種學說，即不存在任何暗物質(zhì)，所觀測到的“引力透鏡”現(xiàn)象也只是星系中普通物質(zhì)萬有引力定律的特殊情況。但享克-霍克斯特教授相信，他們的研究工作將最終推翻這種學說。

世界各國的科學家為尋找暗物質(zhì)正在進行著各種實驗。　　　

近十年前，一些科學家開始探索用測量年度調(diào)制的方法探測可能存在的冷暗物質(zhì)粒子—弱作用粒子WIMP。由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的原因，使得地球與WIMP的相對速度隨季節(jié)變化，在每年的6月份可能通過一個較高的WIMP流強，而在每年的12月份可能通過一個較低的WIMP流強，比率的漲落差約為7％。WIMP的年度調(diào)制，有助于將WIMP信號從本底中剝離出來。為了探測到這一調(diào)制，需要有大規(guī)模、很低放射性本底的探測器。

意大利格朗薩索（Gran Sasso）國家地下實驗室（位于地下1400米深處）DAMA實驗組從1996年開始選用放射性本底極低的碘化鈉晶體陣列來探測WIMP。實驗的初步結(jié)果觀察到了碘化鈉晶體中的原子核與WIMP粒子碰撞的效應(yīng)也隨季節(jié)有微小的變化，即觀察到了它的年調(diào)制效應(yīng)，并由此推算出WIMP粒子的質(zhì)量至少比質(zhì)子大50倍，引起世界科學界的重視。（右圖為安裝在意大利格朗薩索國家實驗室中的碘化鈉晶體陣列）中國科學家參加了此項國際合作。DAMA組的結(jié)果說明了有WIMP可能存在的初步證據(jù)，但美國斯坦福大學的科學家作了與DAMA類似的實驗，尚未能證實DAMA的結(jié)果。最后的結(jié)論還有期待國際上更多實驗的結(jié)果，例如，建在英國北約克郡(North Yorkshire)海岸博爾比(Boulby)地下1100米深處鹽鉀堿礦的英國暗物質(zhì)實驗中心已經(jīng)于2003年4月28日正式啟動。

除了地下的探測，利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質(zhì)和暗物質(zhì)，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學的一些重大和疑難問題的阿爾法（α）磁譜儀（Alpha Magneitic Spectrom-eter，簡稱AMS）的研制工作正在進行。AMS是人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀，這是美籍華裔物理學家丁肇中教授提出并領(lǐng)導(dǎo)的大型國際合作科學研究項目，由美國和中國等10多個國家和地區(qū)的37個科研機構(gòu)參加科研工作。1998年6月，AMS由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機載入太空，進行了約10天的試驗性探測。計劃將來通過航天飛機把它送到由美、俄、西歐、日本和加拿大等國聯(lián)合研究的“國際空間站”上運行3-5年。（左圖為“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機上的AMS）

AMS由一個直徑約1.2米、高0.8米、重量約為1.85噸的圓環(huán)形永磁體產(chǎn)生均勻的平行磁場，磁束密度約為0.15特斯拉。圓環(huán)內(nèi)安裝6層硅微調(diào)探測器，用來記錄帶電宇宙射線粒子的運動軌跡。一個帶正電荷的粒子在穿過磁場時，其運動方向?qū)⑴c帶負電的相反。根據(jù)每層記錄下來的帶電粒子穿過的軌跡，可以推算出粒子的偏轉(zhuǎn)方向及帶電荷的大小。帶電荷量愈大，在穿過每層硅微調(diào)探測器時能量損失愈快。具有較大動量的粒子在穿過探測器時偏轉(zhuǎn)的角度較小，從而可以估計出粒子的質(zhì)量。磁譜儀的上、下兩層還裝有閃爍體，當粒子穿過時會發(fā)出亮點，其亮度與粒子穿過時的能量成正比。通過上、下兩層光點亮度及穿過瞬間的比較，可以得出粒子能量的損失大小以及粒子穿過所需的時間。反物質(zhì)、暗物質(zhì)在磁場中運動時會表現(xiàn)出不同的特點，因而可以探測出來。

AMS能精確測量存在于太空中的反質(zhì)子、正電子、光子和其它粒子的能量分布，從而有可能揭開暗物質(zhì)的秘密。中國在這項重要的研究和應(yīng)用中也作出了重要的貢獻。（右圖為由中國科學家設(shè)計制造的AMS-01永磁體系統(tǒng)在北京進行震動實驗）

暗能量

天文學家認為，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能嚴格說其是一種斥力，只能稱其為能量。宇宙大爆炸時發(fā)生膨脹，產(chǎn)生的能量把物質(zhì)往外排斥，暗能量斥力作用的發(fā)現(xiàn)，使學者們認識到，宇宙不光是在膨脹，而且還是在加速膨脹。

暗能量在宇宙中更像是一種背景，讓人根本感覺不到它的存在，但它確實存在，且起著非同一般的作用。有人把暗能量稱為“真空能”。上世紀20、30年代，就有科學家認為真空不空，只是物理的探測儀器探測不到“真空”中并非真的什么都沒有。

對暗能量理論上的猜測可追溯到愛因斯坦年代，1915年愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）（右圖）提出了廣義相對論，這是自牛頓時代以來第一次出現(xiàn)的重力理論。1917年，他將廣義相對論公式應(yīng)用到整個宇宙，想看看能否獲得對宇宙本質(zhì)的新認識。世界上的物理學家、數(shù)學家隨即開始解其中的引力方程，方程有兩種解，結(jié)論是宇宙不會完全靜止，宇宙沒有靜止點。

方程的第一種解是，如果宇宙只存在引力，沒有別的力作用的話，出于相互吸引，宇宙不可能靜止.

方程的另一種解是，宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個初速度，向外膨脹，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，所以宇宙不是膨脹就是收縮，不可能靜止。 

愛因斯坦覺得從哲學思想上分析，這兩種解都不合適，按他的想法宇宙應(yīng)該是靜止的，不能永不停息的運動。因此，愛因斯坦又向廣義相對論引力方程中引入了一項“宇宙常數(shù)”（cosmological constant λ）。這個宇宙常數(shù)起排斥力的作用，有了該常數(shù)之后，引力方程同時具備了引力和斥力，正好能夠達到平衡，可讓宇宙“靜止”下來。

上世紀20年代，美國著名天文學家哈勃（Edwin Powell Hubble,1889-1953）（右圖）經(jīng)過觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙確實是在不斷膨脹，他根據(jù)星系的距離和運行速度證實，離我們越遠的星系向外運動的速度越快，這是宇宙正在膨脹的表現(xiàn)。這一觀測結(jié)果完全與引入“宇宙常數(shù)”之前的引力方程的計算結(jié)果相契合，迅速得到了世界上絕大多數(shù)科學家的認可。愛因斯坦本來是想把宇宙“靜止”下來，但實際的宇宙是在膨脹著。他認為：“引入宇宙常數(shù)是我這一生所犯的最大錯誤！”（左圖為哈勃正在帕洛馬山上48英寸望遠鏡前進行天文觀測）

但愛因斯坦提出的“宇宙常數(shù)”并未被科學家們遺棄，一小部分科學家此后在將觀測結(jié)果與理論進行對比的時候，常常會把此常數(shù)捎帶上。如果計算結(jié)果顯示“宇宙常數(shù)”等于0，就證明該數(shù)確實不能用；反之，就證明愛因斯坦引入一個常數(shù)的思路是對的。

1997年哈勃太空望遠鏡拍攝到一顆超新星，編號為“１９９７ｆｆ”（左圖）。美國馬里蘭州太空望遠鏡研究所和勞倫斯伯克利國家實驗室的天文學家通過對該超新星光線的相對強度進行的研究表明，“ １９９７ｆｆ”爆發(fā)于110億年前，是迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠的超新星，當時宇宙的年紀只有現(xiàn)在的四分之一，宇宙的膨脹很可能經(jīng)歷了一個先減速、后加速的過程?？茖W家為愛因斯坦的“暗能量”理論找到了第一個直接證據(jù)。

超新星即爆炸中的恒星，它發(fā)出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。測定超新星的亮度，可以用來判斷宇宙膨脹的速率。在宇宙減速膨脹中誕生的星體，其發(fā)出的光到達地球時，該星體和地球之間的距離由于膨脹減速的原因要比預(yù)計的近，因而地球上的觀測者會發(fā)現(xiàn)其光要比預(yù)計中更亮。（右圖為超新星的爆炸）

經(jīng)過大量的計算和分析，科學家們確認“ １９９７ｆｆ”的亮度是預(yù)計正常亮度的兩倍，比距離更近、更年輕的超新星爆炸發(fā)出的光還要亮。科學家們據(jù)此判定，這顆超新星爆發(fā)于宇宙的減速膨脹階段。

科學家們指出，新發(fā)現(xiàn)和此前的觀測結(jié)論相結(jié)合，證實了宇宙膨脹先減速后加速，同時也證明宇宙中確實存在“暗能量”。

“暗能量”據(jù)認為更接近能量，而非物質(zhì)?？茖W家認為，與暗物質(zhì)一樣，“暗能量”構(gòu)成了宇宙中不可見的一部分。科學家估計“暗能量”可能占據(jù)了宇宙成分的三分之二，對它的了解對于理解時間、空間、物質(zhì)和能量具有關(guān)鍵作用。

1998年，天文學家們在南極用80萬立米氣球搭載BOOMERANG（Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics)）微波探測器（氣球從1998年12月29日到1999年1月9日從37公里的高空飛越南極）BOOMERANG在空中控測了宇宙微波背景（CMB）下擾動的大量樣本，其中，CMB是從各個方向襲擊地球的持續(xù)的電磁聲波。這些遙遠的聲音是大爆炸之后的遺留輻射。他們探測的只是全天中的一小塊，得出的結(jié)論是：“宇宙常數(shù)”不等于0，且在整個宇宙中所占比例還很大。此后，“宇宙常數(shù)”正式被稱為“暗能量”。

愛因斯坦沒有想到，當初他認為是錯誤的“宇宙常數(shù)”——暗能量，竟然是極有道理的，幾乎可稱得上是宇宙的本質(zhì)。

觀念的沖擊和突破

波蘭天文學家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473-1543）（左圖）1536年寫成《天體運行論》，1543年公開出版。他在書中指出，地球不是宇宙的中心而是圍繞太陽運行的普通行星,其自身又以地軸為中心自轉(zhuǎn)。哥白尼的日心說推翻了統(tǒng)治天文學1000多年的地心體系（即地球是宇宙中心的學說），引起了全世界的軒然大波，人們不得不重新審視自身在宇宙中所扮演的角色。

在此之后，天文學上的發(fā)現(xiàn)不斷地突破人們所建構(gòu)的關(guān)于宇宙中心的知識體系，地球不是中心，太陽也并非就是，銀河系也不是，隨著愛因斯坦廣義相對論的提出，人們才認識到宇宙根本沒有中心。

暗物質(zhì)和暗能量的存在是以前人類無法想象的事情，隨著暗物質(zhì)、暗能量被證實存在，并證實它們在宇宙中占有很大比重，人們的觀念受到極大的沖擊和突破。“宇宙由暗物質(zhì)組成并因暗能量而彼此分開”這一難以理解而且違反常理的宇宙模型，也由于WMAP、SDSS以及新的超新星數(shù)據(jù)，逐漸得到了驗證。科學家們已經(jīng)開始研究一系列新問題，進一步探索這些“不可見宇宙”如何影響銀河系和宇宙的過去、現(xiàn)在和未來?？梢韵嘈?，人類最終一定能夠理解宇宙的起源。

（高能所科研處制作 內(nèi)容來自科技日報、科學時報、新浪科技、人民網(wǎng)、大眾科技報、新華網(wǎng)、中國中學生報、奇跡報道、Stanford網(wǎng)、中國科普、中國科普博覽等）