超级军网暗物质和暗能量之谜
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/30 00:43:19
本世纪最大的科学谜题是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界提出了挑战。
暗物质模型
暗物质和暗能量是世纪谜题
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
暗物质是谁最先发现的呢？
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
在重力透镜效应下观测到的暗物质
Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。
1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。
为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
暗物质实验
暗物质探测器
暗物质实验
宇宙中有无数等待人类去探索的秘密，暗物质就是其中一个。过去75年，科学家一直在奋力寻找暗物质的粒子，但迄今一无所获。明年，他们也许能从深埋于意大利中部山洞的冰冷液体中找到答案。一个国际物理学家小组正在准备进行XENON100实验，实验虽简单却拥有远大目标：记录下弱相互作用大质量粒子(WIMP)撞向液态氙原子核、引发光闪和电荷的一刻。领导实施这项研究的哥伦比亚大学物理学家埃琳娜·阿普莉莱显得信心十足：“我们绝对能看到这些物理事件。”
根据最新的理论和发现，宇宙中暗物质的数量是构成我们普通世界的原子物质数量的6倍。尽管每秒钟都有无数暗物质从我们身边经过，但它们无影无踪，我们根本看不到它们的踪影；它们不带电荷，与原子物质间的相互作用并不频繁，科学家能发现它们的唯一途径就是布下一个“天罗地网”。目前，全球约有十个科学小组正在从事类似研究，但XENON100实验是迄今保密措施做得最好的。所有试验人员均在地表以下从事研究，避免探测器遭到背景辐射。
意大利格朗萨索(Gran Sasso)国家实验室位于一座山顶下4600英尺深处。XENON100是阿普莉莱之前关于暗物质试验XENON100的增强版，这次试验使用液态氙(室温下存在的惰性气体)捕捉弱相互作用大质量粒子。XENON100探测器是一种不锈钢圆柱体，外面是由两种铅和一层聚乙烯打造的保护性“城堡”。330磅的液态氙在里面将被冷冻至零下140华氏度。氙拥有一个独具魅力的特性：一旦WIMP粒子撞向其原子核，它会释放出瞬间的闪光。圆柱体顶部的一套传感器会记录下这一信号，同时顶部的传感器会探测WIMP粒子释放的电子。通过分析上述两个信号及测量它们的时间间隔，研究人员便能以三维形式锁定圆柱体内撞击点位置。
暗物质并不见得就是由WIMP粒子构成，但它们当仁不让是重要候选之一，因为WIMP粒子的存在会填补粒子物理学理论固有的漏洞。为解决这一矛盾，科学家提出，所有粒子都有质量超大的对应物或“超级伙伴”。Neutralino即便质量是质子的50倍，但在“超级伙伴”之中也是最轻的。它是WIMP粒子的重要候选。如果XENON100实验最终揭开了Neutralino之谜，这将是人类科学史上的重要一步。耶鲁大学物理学家、XENON100小组成员丹尼尔·麦克金赛说：“如果我们找到了暗物质，我们会发现，地球原来并不是由构成大部分宇宙的物质所形成的。”本世纪最大的科学谜题是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界提出了挑战。
暗物质模型
暗物质和暗能量是世纪谜题
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
暗物质是谁最先发现的呢？
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
在重力透镜效应下观测到的暗物质
Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。
1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。
为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
暗物质实验
暗物质探测器
暗物质实验
宇宙中有无数等待人类去探索的秘密，暗物质就是其中一个。过去75年，科学家一直在奋力寻找暗物质的粒子，但迄今一无所获。明年，他们也许能从深埋于意大利中部山洞的冰冷液体中找到答案。一个国际物理学家小组正在准备进行XENON100实验，实验虽简单却拥有远大目标：记录下弱相互作用大质量粒子(WIMP)撞向液态氙原子核、引发光闪和电荷的一刻。领导实施这项研究的哥伦比亚大学物理学家埃琳娜·阿普莉莱显得信心十足：“我们绝对能看到这些物理事件。”
根据最新的理论和发现，宇宙中暗物质的数量是构成我们普通世界的原子物质数量的6倍。尽管每秒钟都有无数暗物质从我们身边经过，但它们无影无踪，我们根本看不到它们的踪影；它们不带电荷，与原子物质间的相互作用并不频繁，科学家能发现它们的唯一途径就是布下一个“天罗地网”。目前，全球约有十个科学小组正在从事类似研究，但XENON100实验是迄今保密措施做得最好的。所有试验人员均在地表以下从事研究，避免探测器遭到背景辐射。
意大利格朗萨索(Gran Sasso)国家实验室位于一座山顶下4600英尺深处。XENON100是阿普莉莱之前关于暗物质试验XENON100的增强版，这次试验使用液态氙(室温下存在的惰性气体)捕捉弱相互作用大质量粒子。XENON100探测器是一种不锈钢圆柱体，外面是由两种铅和一层聚乙烯打造的保护性“城堡”。330磅的液态氙在里面将被冷冻至零下140华氏度。氙拥有一个独具魅力的特性：一旦WIMP粒子撞向其原子核，它会释放出瞬间的闪光。圆柱体顶部的一套传感器会记录下这一信号，同时顶部的传感器会探测WIMP粒子释放的电子。通过分析上述两个信号及测量它们的时间间隔，研究人员便能以三维形式锁定圆柱体内撞击点位置。
暗物质并不见得就是由WIMP粒子构成，但它们当仁不让是重要候选之一，因为WIMP粒子的存在会填补粒子物理学理论固有的漏洞。为解决这一矛盾，科学家提出，所有粒子都有质量超大的对应物或“超级伙伴”。Neutralino即便质量是质子的50倍，但在“超级伙伴”之中也是最轻的。它是WIMP粒子的重要候选。如果XENON100实验最终揭开了Neutralino之谜，这将是人类科学史上的重要一步。耶鲁大学物理学家、XENON100小组成员丹尼尔·麦克金赛说：“如果我们找到了暗物质，我们会发现，地球原来并不是由构成大部分宇宙的物质所形成的。”
暗物质模型
暗物质和暗能量是世纪谜题
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
暗物质是谁最先发现的呢？
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
在重力透镜效应下观测到的暗物质
Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。
1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。
为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
暗物质实验
暗物质探测器
暗物质实验
宇宙中有无数等待人类去探索的秘密，暗物质就是其中一个。过去75年，科学家一直在奋力寻找暗物质的粒子，但迄今一无所获。明年，他们也许能从深埋于意大利中部山洞的冰冷液体中找到答案。一个国际物理学家小组正在准备进行XENON100实验，实验虽简单却拥有远大目标：记录下弱相互作用大质量粒子(WIMP)撞向液态氙原子核、引发光闪和电荷的一刻。领导实施这项研究的哥伦比亚大学物理学家埃琳娜·阿普莉莱显得信心十足：“我们绝对能看到这些物理事件。”
根据最新的理论和发现，宇宙中暗物质的数量是构成我们普通世界的原子物质数量的6倍。尽管每秒钟都有无数暗物质从我们身边经过，但它们无影无踪，我们根本看不到它们的踪影；它们不带电荷，与原子物质间的相互作用并不频繁，科学家能发现它们的唯一途径就是布下一个“天罗地网”。目前，全球约有十个科学小组正在从事类似研究，但XENON100实验是迄今保密措施做得最好的。所有试验人员均在地表以下从事研究，避免探测器遭到背景辐射。
意大利格朗萨索(Gran Sasso)国家实验室位于一座山顶下4600英尺深处。XENON100是阿普莉莱之前关于暗物质试验XENON100的增强版，这次试验使用液态氙(室温下存在的惰性气体)捕捉弱相互作用大质量粒子。XENON100探测器是一种不锈钢圆柱体，外面是由两种铅和一层聚乙烯打造的保护性“城堡”。330磅的液态氙在里面将被冷冻至零下140华氏度。氙拥有一个独具魅力的特性：一旦WIMP粒子撞向其原子核，它会释放出瞬间的闪光。圆柱体顶部的一套传感器会记录下这一信号，同时顶部的传感器会探测WIMP粒子释放的电子。通过分析上述两个信号及测量它们的时间间隔，研究人员便能以三维形式锁定圆柱体内撞击点位置。
暗物质并不见得就是由WIMP粒子构成，但它们当仁不让是重要候选之一，因为WIMP粒子的存在会填补粒子物理学理论固有的漏洞。为解决这一矛盾，科学家提出，所有粒子都有质量超大的对应物或“超级伙伴”。Neutralino即便质量是质子的50倍，但在“超级伙伴”之中也是最轻的。它是WIMP粒子的重要候选。如果XENON100实验最终揭开了Neutralino之谜，这将是人类科学史上的重要一步。耶鲁大学物理学家、XENON100小组成员丹尼尔·麦克金赛说：“如果我们找到了暗物质，我们会发现，地球原来并不是由构成大部分宇宙的物质所形成的。”本世纪最大的科学谜题是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界提出了挑战。
暗物质模型
暗物质和暗能量是世纪谜题
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
暗物质是谁最先发现的呢？
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
在重力透镜效应下观测到的暗物质
Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。
1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。
为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
暗物质实验
暗物质探测器
暗物质实验
宇宙中有无数等待人类去探索的秘密，暗物质就是其中一个。过去75年，科学家一直在奋力寻找暗物质的粒子，但迄今一无所获。明年，他们也许能从深埋于意大利中部山洞的冰冷液体中找到答案。一个国际物理学家小组正在准备进行XENON100实验，实验虽简单却拥有远大目标：记录下弱相互作用大质量粒子(WIMP)撞向液态氙原子核、引发光闪和电荷的一刻。领导实施这项研究的哥伦比亚大学物理学家埃琳娜·阿普莉莱显得信心十足：“我们绝对能看到这些物理事件。”
根据最新的理论和发现，宇宙中暗物质的数量是构成我们普通世界的原子物质数量的6倍。尽管每秒钟都有无数暗物质从我们身边经过，但它们无影无踪，我们根本看不到它们的踪影；它们不带电荷，与原子物质间的相互作用并不频繁，科学家能发现它们的唯一途径就是布下一个“天罗地网”。目前，全球约有十个科学小组正在从事类似研究，但XENON100实验是迄今保密措施做得最好的。所有试验人员均在地表以下从事研究，避免探测器遭到背景辐射。
意大利格朗萨索(Gran Sasso)国家实验室位于一座山顶下4600英尺深处。XENON100是阿普莉莱之前关于暗物质试验XENON100的增强版，这次试验使用液态氙(室温下存在的惰性气体)捕捉弱相互作用大质量粒子。XENON100探测器是一种不锈钢圆柱体，外面是由两种铅和一层聚乙烯打造的保护性“城堡”。330磅的液态氙在里面将被冷冻至零下140华氏度。氙拥有一个独具魅力的特性：一旦WIMP粒子撞向其原子核，它会释放出瞬间的闪光。圆柱体顶部的一套传感器会记录下这一信号，同时顶部的传感器会探测WIMP粒子释放的电子。通过分析上述两个信号及测量它们的时间间隔，研究人员便能以三维形式锁定圆柱体内撞击点位置。
暗物质并不见得就是由WIMP粒子构成，但它们当仁不让是重要候选之一，因为WIMP粒子的存在会填补粒子物理学理论固有的漏洞。为解决这一矛盾，科学家提出，所有粒子都有质量超大的对应物或“超级伙伴”。Neutralino即便质量是质子的50倍，但在“超级伙伴”之中也是最轻的。它是WIMP粒子的重要候选。如果XENON100实验最终揭开了Neutralino之谜，这将是人类科学史上的重要一步。耶鲁大学物理学家、XENON100小组成员丹尼尔·麦克金赛说：“如果我们找到了暗物质，我们会发现，地球原来并不是由构成大部分宇宙的物质所形成的。”
暗物质
目录
• 美国故事影片《暗物质》（2007）
• 最被看好的暗物质候选者
• CCDM存在的问题
• 暗物质和暗能量是世纪谜题
暗物质 Dark Matter
【Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 译】几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。
大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。
在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。
不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。
但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。
美国故事影片《暗物质》（2007）
导演： 陈士铮
主演： 刘烨 （《蓝宇》，《美人草》，《满城尽带黄金甲》，《南京！南京！》）
梅丽尔·斯特里普 （《克莱默夫妇》，《索菲的选择》，《穿普拉达的恶魔》）
艾登 · 昆 （《This is my Father》，《Bury My Hear at Wounded Knee》）
影片官网：
www.darkmatterthemovie.com
电影介绍：
《暗物质》的故事是从轰动国内外的留美学生卢刚枪杀导师事件中获得灵感而写成的。刘烨饰演的中国赴美留学生刘星怀抱诺贝尔奖的梦想，在莱瑟教授（艾登 · 坤饰）门下研究宇宙学。刘星违背导师的意愿，一心探索暗物质领域的奥秘。他凭借自己的勤奋和天才在研究上取得重大突破，却因为校园政治而遭遇不公，致使梦想破灭，最终走上暴力之路。梅丽尔·斯特里普在影片中饰演热爱中国文化，关心中国学生的大学赞助人席尔瓦夫人。
电影《暗物质》反映了人们如何正确面对理想和现实的差距的问题，也触及到中美文化之间差异和缺乏相互理解的现实。影片在2007年日舞电影节上大受好评，获得斯隆奖及两万美元奖金。影片原计划2007年八月在北美公映，由于三月弗州枪杀案的影响而推迟到2008年春季。
卢刚事件背景：
1991年11月1日万圣节这天，中国留学生卢刚在刚刚获得衣阿华大学太空物理博士学位的时候，开枪射杀了3位教授和副校长安-柯莱瑞以及一位和卢刚同时获得博士学位的中国留学生山林华。枪杀五人之后，卢刚随即当场饮弹自尽。
开枪杀人的卢刚是北京市人，出生于普通工人家庭，18岁考入北京大学物理系，1984年通过李政道主持的中美物理学交流计划选拔，毕业后旋即以交换学生身份公费赴美攻读博士学位，就读于衣阿华大学物理与天文学系，时年22岁。卢刚毕业时未能获得最佳论文奖，并面对巨大就业压力，最终酿成悲惨血案。
1991年11月4日，安-柯莱瑞的3位兄弟以她的名义捐出一笔资金，宣布成立安-柯莱瑞博士国际学生心理学奖学基金，用以安慰和促进学生的心智健康，减少人类悲剧的发生。
最被看好的暗物质候选者
长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。
低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。
其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同的质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。
另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。
CCDM存在的问题
由于综合了CCDM，标准模型在数学上是特殊的，尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在，能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布，同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上，理论和观测符合的很好，这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。
然而在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了，而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的，而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上，高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次，在大尺度上的涨落是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上，普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是目前的观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚。
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• 美国故事影片《暗物质》（2007）
• 最被看好的暗物质候选者
• CCDM存在的问题
• 暗物质和暗能量是世纪谜题
暗物质 Dark Matter
【Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 译】几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。
大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。
在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。
不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。
但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。
美国故事影片《暗物质》（2007）
导演： 陈士铮
主演： 刘烨 （《蓝宇》，《美人草》，《满城尽带黄金甲》，《南京！南京！》）
梅丽尔·斯特里普 （《克莱默夫妇》，《索菲的选择》，《穿普拉达的恶魔》）
艾登 · 昆 （《This is my Father》，《Bury My Hear at Wounded Knee》）
影片官网：
www.darkmatterthemovie.com
电影介绍：
《暗物质》的故事是从轰动国内外的留美学生卢刚枪杀导师事件中获得灵感而写成的。刘烨饰演的中国赴美留学生刘星怀抱诺贝尔奖的梦想，在莱瑟教授（艾登 · 坤饰）门下研究宇宙学。刘星违背导师的意愿，一心探索暗物质领域的奥秘。他凭借自己的勤奋和天才在研究上取得重大突破，却因为校园政治而遭遇不公，致使梦想破灭，最终走上暴力之路。梅丽尔·斯特里普在影片中饰演热爱中国文化，关心中国学生的大学赞助人席尔瓦夫人。
电影《暗物质》反映了人们如何正确面对理想和现实的差距的问题，也触及到中美文化之间差异和缺乏相互理解的现实。影片在2007年日舞电影节上大受好评，获得斯隆奖及两万美元奖金。影片原计划2007年八月在北美公映，由于三月弗州枪杀案的影响而推迟到2008年春季。
卢刚事件背景：
1991年11月1日万圣节这天，中国留学生卢刚在刚刚获得衣阿华大学太空物理博士学位的时候，开枪射杀了3位教授和副校长安-柯莱瑞以及一位和卢刚同时获得博士学位的中国留学生山林华。枪杀五人之后，卢刚随即当场饮弹自尽。
开枪杀人的卢刚是北京市人，出生于普通工人家庭，18岁考入北京大学物理系，1984年通过李政道主持的中美物理学交流计划选拔，毕业后旋即以交换学生身份公费赴美攻读博士学位，就读于衣阿华大学物理与天文学系，时年22岁。卢刚毕业时未能获得最佳论文奖，并面对巨大就业压力，最终酿成悲惨血案。
1991年11月4日，安-柯莱瑞的3位兄弟以她的名义捐出一笔资金，宣布成立安-柯莱瑞博士国际学生心理学奖学基金，用以安慰和促进学生的心智健康，减少人类悲剧的发生。
最被看好的暗物质候选者
长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。
低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。
其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同的质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。
另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。
CCDM存在的问题
由于综合了CCDM，标准模型在数学上是特殊的，尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在，能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布，同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上，理论和观测符合的很好，这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。
然而在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了，而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的，而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上，高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次，在大尺度上的涨落是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上，普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是目前的观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚。
暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增，也就是说随着到中心距离的减小，其密度应该急剧升高，但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的，星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了，同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系，则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构，如果这一结构是稳定的，就要求其核心的密度要小于预期的值。
可以想象，解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是，总体上看，现在的观测证据显示，从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。
茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的规则的轨道运动，而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存着我们看不见的物质。
20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。
那么，太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢？天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30～80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等，不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光，最多只能有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”，足以提供理论计算所需的全部暗物质。
观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么，暗晕中含有哪些看不见的物质呢？英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，如质量可能为20～49电子伏且与电子有联系的中微子，质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。
欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。
到现在，已有不少天文学家认为，宇宙中90％以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜，还待于人们去进一步探索。
2006年1月6日报道，剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。目前，从事此项研究的科学家们正准备在最近几周内将此项研究结果公开发表。
天文学家们称，根据当前一些统计资料显示，我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%。
在本次这项研究中，科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究，此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外，这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里，其温度可达10000摄氏度。
同时科学家们还观测到，暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异，如：尽管观测目标的温度是如此之高，但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为，暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为，暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的，这些粒子的运动速度也不会太高。
暗物质研究专家们还表示，宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年，这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子，那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。
早在30年代，瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质。他还指出，星系群中的发光物质如果只依靠自身的引力将各个星系保持联接在一起，那么它们的量就必须要再增加10倍。而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质，即我们今天所说的暗物质。尽管暗物质在宇宙间的储藏量比其它普通物质高出许多，但有关暗物质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述。
2007年1月，暗物质分布图终于诞生了！经过4年的努力，70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”，勾勒出相当于从地球上看，8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢？那可全亏了一项了不起的技术：引力透镜。
更妙的是这张分布图带给我们的信息。首先我们看到，暗物质并不是无所不在，它们只在某些地方聚集成团状，而对另一些地方却不屑一顾。其次，将星系的图片与之重叠，我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方，就有恒星和星系，没有暗物质的地方，就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景，星系(包括银河系)在其中移动。分布图还为我们提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方，离我们也越远。不过，背景中恒星所发出的光不是我们瞬间就能看到的，即使光速(每秒30万公里)堪称极致，那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算，1光年相当于10万亿公里。
因此，如果你往远处看，比如距离我们20亿光年的地方，那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是现在的样子。就好像是回到了过去！明白了吗？好，现在回到分布图上，我们看到的是暗物质在25亿～75亿年前的样子。
那么在这个异常遥远的年代，暗物质看上去是什么样子的呢？好像一碗面糊。而离我们越近，暗物质就越是聚集在一起，像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示，暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是，这一分布图为我们了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作，他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变，所以我们看到的也就是暗物质现在的形状。
那我们也在其中吗？把所有的数据综合起来再加上研究人员们的推测就可以在这锅宇宙浓汤中找到我们自己的历史。是的，是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗，汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象：一方面是膨胀，试图把碗撑大；另一方面是引力，促使物质凝聚成块。结果，宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质，而它们在另外一些地方却异常密集：暗物质聚集在一起，星系则挂靠在暗物质上，就像挂在钩子上的画。但可惜的是，我们对暗物质究竟是什么还是一无所知……
暗物质和暗能量是世纪谜题
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
暗物质是谁最先发现的呢？
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。
1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。
为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。
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参考资料：
维克百科 http://www.wikipedia.org
星辰天文网:http://spl20040207.spaces.live.com/
TAS 台湾天文网:http://www.tas.idv.tw/
天狼星天文网:http://www.dogstar.net/
青岛天文网:http://astro.bandao.cn/
多高科学网：http://www.duogao.com/
可以想象，解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是，总体上看，现在的观测证据显示，从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。
茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的规则的轨道运动，而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存着我们看不见的物质。
20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。
那么，太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢？天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30～80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等，不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光，最多只能有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”，足以提供理论计算所需的全部暗物质。
观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么，暗晕中含有哪些看不见的物质呢？英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，如质量可能为20～49电子伏且与电子有联系的中微子，质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。
欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。
到现在，已有不少天文学家认为，宇宙中90％以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜，还待于人们去进一步探索。
2006年1月6日报道，剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。目前，从事此项研究的科学家们正准备在最近几周内将此项研究结果公开发表。
天文学家们称，根据当前一些统计资料显示，我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%。
在本次这项研究中，科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究，此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外，这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里，其温度可达10000摄氏度。
同时科学家们还观测到，暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异，如：尽管观测目标的温度是如此之高，但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为，暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为，暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的，这些粒子的运动速度也不会太高。
暗物质研究专家们还表示，宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年，这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子，那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。
早在30年代，瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质。他还指出，星系群中的发光物质如果只依靠自身的引力将各个星系保持联接在一起，那么它们的量就必须要再增加10倍。而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质，即我们今天所说的暗物质。尽管暗物质在宇宙间的储藏量比其它普通物质高出许多，但有关暗物质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述。
2007年1月，暗物质分布图终于诞生了！经过4年的努力，70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”，勾勒出相当于从地球上看，8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢？那可全亏了一项了不起的技术：引力透镜。
更妙的是这张分布图带给我们的信息。首先我们看到，暗物质并不是无所不在，它们只在某些地方聚集成团状，而对另一些地方却不屑一顾。其次，将星系的图片与之重叠，我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方，就有恒星和星系，没有暗物质的地方，就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景，星系(包括银河系)在其中移动。分布图还为我们提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方，离我们也越远。不过，背景中恒星所发出的光不是我们瞬间就能看到的，即使光速(每秒30万公里)堪称极致，那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算，1光年相当于10万亿公里。
因此，如果你往远处看，比如距离我们20亿光年的地方，那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是现在的样子。就好像是回到了过去！明白了吗？好，现在回到分布图上，我们看到的是暗物质在25亿～75亿年前的样子。
那么在这个异常遥远的年代，暗物质看上去是什么样子的呢？好像一碗面糊。而离我们越近，暗物质就越是聚集在一起，像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示，暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是，这一分布图为我们了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作，他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变，所以我们看到的也就是暗物质现在的形状。
那我们也在其中吗？把所有的数据综合起来再加上研究人员们的推测就可以在这锅宇宙浓汤中找到我们自己的历史。是的，是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗，汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象：一方面是膨胀，试图把碗撑大；另一方面是引力，促使物质凝聚成块。结果，宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质，而它们在另外一些地方却异常密集：暗物质聚集在一起，星系则挂靠在暗物质上，就像挂在钩子上的画。但可惜的是，我们对暗物质究竟是什么还是一无所知……
暗物质和暗能量是世纪谜题
21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。
暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。
宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。
暗物质是谁最先发现的呢？
1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。
还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。
1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。
天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。
轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。
为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。
在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。
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参考资料：
维克百科 http://www.wikipedia.org
星辰天文网:http://spl20040207.spaces.live.com/
TAS 台湾天文网:http://www.tas.idv.tw/
天狼星天文网:http://www.dogstar.net/
青岛天文网:http://astro.bandao.cn/
多高科学网：http://www.duogao.com/
“暗物质、暗能量”到底是怎么回事？中科院的科学家做出如下解释：
宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。建立在广义相对论和宇宙学原理（即在宇宙大尺度上，物质的分布是高度均匀各向同性的）之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极致密、极高温的状态，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、冷却演化至今。在这个过程中，宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期，星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。
二十世纪二十年代，天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行，距离越远，退行速度越大，二者成正比，这个比例系数被称为哈勃常数，这个规律叫哈勃定律。在此基础上，产生"膨胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世纪大量的天文观测和天体物理研究结果都证实这个模型。
去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。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。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量, SDSS 也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。
什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子，但WMAP和SDSS的结果说明，它的质量应当非常小，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，它们可能是超对称理论中的最轻的超对称粒子，是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家，例如中意科学家合作组DAMA实验，丁肇中先生领导的AMS实验，正在进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到这种暗物质粒子。
暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。
然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个基本合理的解释。科学家正在计划发射新的探测卫星，对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定暗能量的形式和物理特征，不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。
综上所述，研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学结合起来。这一极大与极小的联系是21世纪物理学和天文学研究的一个新特点。
宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。建立在广义相对论和宇宙学原理（即在宇宙大尺度上，物质的分布是高度均匀各向同性的）之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极致密、极高温的状态，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、冷却演化至今。在这个过程中，宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期，星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。
二十世纪二十年代，天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行，距离越远，退行速度越大，二者成正比，这个比例系数被称为哈勃常数，这个规律叫哈勃定律。在此基础上，产生"膨胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世纪大量的天文观测和天体物理研究结果都证实这个模型。
去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。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。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量, SDSS 也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。
什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子，但WMAP和SDSS的结果说明，它的质量应当非常小，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，它们可能是超对称理论中的最轻的超对称粒子，是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家，例如中意科学家合作组DAMA实验，丁肇中先生领导的AMS实验，正在进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到这种暗物质粒子。
暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。
然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个基本合理的解释。科学家正在计划发射新的探测卫星，对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定暗能量的形式和物理特征，不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。
综上所述，研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学结合起来。这一极大与极小的联系是21世纪物理学和天文学研究的一个新特点。
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太强大了！看的我快晕了[:a3:]
暗物质和反物质是什么关系？
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偶高中物理几乎没及格过``靠 看不懂
但偶又对这些有兴趣！
靠！！！太痛苦了！
但偶又对这些有兴趣！
靠！！！太痛苦了！
还是没有点明反物质与暗物质的关系。。
照个人理解，反物质源与量子物理，暗物质源于相对论，两者不想容。那这两物质之间关系就是物理论理学家们都是未来二十年来晕头转向，何况本菜菜
照个人理解，反物质源与量子物理，暗物质源于相对论，两者不想容。那这两物质之间关系就是物理论理学家们都是未来二十年来晕头转向，何况本菜菜
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原帖由 huor 于 2008-5-8 18:50 发表
真实存在性： 反物质：是 暗物质：是
是否是彼此： 反物质：不是暗物质 暗物质：不是反物质
在宇宙中是否大量存在： 反物质：否 暗物质：是
能否被现代物理实验直接观测： 反物质：是 暗物质：否
能否被现代物理理论所解释： 反物质：是 暗物质：否
研究层次： 反物质：基本理论 暗物质：唯象
那是不是就是说暗物质到目前为止，只是一种逻辑上的存在，实际上是什么，那就不知道了。
可以类比电子发现以前人们对自然界中电现象的认识。不知道它的微观机制是什么，但是一定有这么个东西。
实验观测它确实是有，这是非常肯定的了。否则要是还说它没有，就会违背很多已经得到确认的物理理论。
事实上，感兴趣的人可以搜索一下（搜MOND）：有人试图修改F=ma的牛顿力学，让a平方进来，这样在解释某些现象（星系转动沿半径的速度分布）时就不需引入暗物质了。这种想法历史也很久了，但是现在应该说已经被淘汰了，因为其他的暗物质存在的现象它解释不了
实验观测它确实是有，这是非常肯定的了。否则要是还说它没有，就会违背很多已经得到确认的物理理论。
事实上，感兴趣的人可以搜索一下（搜MOND）：有人试图修改F=ma的牛顿力学，让a平方进来，这样在解释某些现象（星系转动沿半径的速度分布）时就不需引入暗物质了。这种想法历史也很久了，但是现在应该说已经被淘汰了，因为其他的暗物质存在的现象它解释不了
其实暗物质究竟存不存在还是一种假想。（但好象离结构越来越接近，希望结果不要相差太多。至少是本质上的）:b 看到了是你的发贴，我就不得不回了。而且我对这方面很有兴趣的。
原帖由 huor 于 2008-5-8 18:50 发表
感谢楼主邀请来此。最近一直无法上网，现在才有条件。其实早先也看到这个帖子了，可惜过去犯懒:L
就说楼上的问题吧，反物质和暗物质。反物质的论述如9楼所述。按照专业学术界的说法，反物质的基本组成单元——反粒 ...
最后给个表作总结
真实存在性： 反物质：是 暗物质：是
是否是彼此： 反物质：不是暗物质 暗物质：不是反物质
在宇宙中是否大量存在： 反物质：否 暗物质：是
能否被现代物理实验直接观测：反物质：是 暗物质：否
能否被现代物理理论所解释： 反物质：是 暗物质：否
研究层次： 反物质：基本理论 暗物质：唯象
你这里所说的暗物质指的是哪一类？
从天文学上来说，暗物质是为了解决从引力动力学上观测到的星系质量远大于观测到的发光物质这个矛盾而提出的。比如说，从分析外围恒星和周边伴星系的运动得出，银河系的质量约为太阳质量的1万亿倍，而观测到的银河系的发光物质（恒星、亮星云等等）的质量只有大约太阳的1千亿倍。因此，认为这一差额要由暗物质来补齐。
当然，也有人认为目前的引力理论在宇宙尺度上就不对，那么讨论的基础都变了。他们甚至认为不需要暗物质。
暗物质的候选者很多，现在要解决的是各种不同的暗物质的可能性以及其质量占的比重。
有些暗物质的类型是存在的，而且从天文学上观测到了，比如大量的亮度很暗的褐矮星（红外天文学近年发展的成果之一）。这些暗物质是普通物质，只是难以观测而已。类似的还有黑矮星、无辐射的中子星、不活动的黑洞等等。这些暗物质的类型都可以归于“真实存在、大量、普通物质、可观测（难度大）、可被天体物理学解释、理论上已经解决”。
有些暗物质类型是归于粒子物理学的，比如“热暗物质”假说，视中微子为一个选择。随着中微子存在静止质量的基本确认，应该说这种暗物质也是可以定论的，当然其比重可能是个问题。
如果说被作为暗物质的一种可能性的“大质量弱相互作用粒子”的话，那个才符合你所说的“未知”状态。
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这些解释中依赖于目前流行的理论模型的太多了，而可观测的又太少。比如如果暴涨模型被证明是错误的话，关于各种暗物质所占的比例可能就会大变。
其实带奇异数和带粲数的粒子也被作为一种可能性。
其实带奇异数和带粲数的粒子也被作为一种可能性。
暴涨模型是不大可能错的，否则直接的近似尺度不变的微波背景辐射各向异性功率谱就不好解释。而且暴涨在解释当今宇宙密度为什么没有彻底远离临界密度方面很诱人，其实这不是一件想当然的事。
带奇异数的就是标准模型第二代的奇异夸克，带粲数的是粲夸克。其组成的物质在大尺度上的相互作用形式不新鲜，都已经包含在可见物质中了。更重要的是，这些肯定在宇宙中不能长期大量存在
带奇异数的就是标准模型第二代的奇异夸克，带粲数的是粲夸克。其组成的物质在大尺度上的相互作用形式不新鲜，都已经包含在可见物质中了。更重要的是，这些肯定在宇宙中不能长期大量存在
暗物质和暗能量会不会就神和神的力量:D
超级伙伴”之中也是最轻的。它是WIMP粒子的重要候选。如果XENON100实验最终揭开了Neutralino之谜，这将是人类科学史上的重要一步。耶鲁大学物理学家、XENON100小组成员丹尼尔·麦克金赛说：“如果我们找到了暗物质，我们会发现，地球原来并不是由构成大部分宇宙的物质所形成的。”
终于有时间来改正一下，这里的翻译有问题。这个词汉语里专业上一般翻译成“超伙伴”，而不是“超级伙伴”。超是指超对称，而不是其相对已知粒子来说超级大的质量。
超对称是指在自旋为半整数的（1/2、3/2等等）的费米子和自旋为整数的玻色子之间的对称性。即物理理论要求有一个自旋为半整数的费米子，就要有一个自旋为整数的玻色子与之一一对应，两者在电荷等等其他的量子数（见前面）方面都一样，但是质量不同（质量不是基本量子数）。目前已经发现的粒子物理“标准模型”中的粒子之间还没有互相之间是这样对应的，寻找粒子的“超伙伴”也是LHC的可能的任务。
终于有时间来改正一下，这里的翻译有问题。这个词汉语里专业上一般翻译成“超伙伴”，而不是“超级伙伴”。超是指超对称，而不是其相对已知粒子来说超级大的质量。
超对称是指在自旋为半整数的（1/2、3/2等等）的费米子和自旋为整数的玻色子之间的对称性。即物理理论要求有一个自旋为半整数的费米子，就要有一个自旋为整数的玻色子与之一一对应，两者在电荷等等其他的量子数（见前面）方面都一样，但是质量不同（质量不是基本量子数）。目前已经发现的粒子物理“标准模型”中的粒子之间还没有互相之间是这样对应的，寻找粒子的“超伙伴”也是LHC的可能的任务。
上帝啊，我们那边都核毁灭了，可没心思看这些玩了
这是个很有意义的研究领域啊，
对于暗物质，偶曾经想过会不会是一些类似“慢中微子”（而非平常的近光速中微子）之类的东东，
对于暗能量，偶也曾经想过会否是“真空本身正在膨胀”的原因！
对于暗物质，偶曾经想过会不会是一些类似“慢中微子”（而非平常的近光速中微子）之类的东东，
对于暗能量，偶也曾经想过会否是“真空本身正在膨胀”的原因！
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你连民科都算不上，你根那个里红字大法师没什么区别，你就别在这里忽悠乐，你的那些理论以前小的时候在飞碟探索上我都曾经看过，你就别在这里忽悠乐。:D
日本前几年探测中微子研究，其实是测中微子的质量和太阳中微子的去向和中微子本身的衰变，而“近光速中微子”早百年就被探测出来了，
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“而“近光速中微子”早百年就被探测出来了”，真他妈的能扯蛋，是不是你还在你娘的肚子里就知道乐;P
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“而“近光速中微子”早百年就被探测出来了”，真他妈的能扯蛋，是不是你还在你娘的肚子里就知道乐;P
《飞碟探索》这种低档的三流杂志把你的脑子搞坏了吧，你连中微子早就可以被实验室探测出来了这回事都不懂，只不过是一直以来都无法测出其真正的质量罢了，数十年来一直有两种观点和争论，一种是中微子质量是零，一种是不为零，你连这种最基本的东东都不知道，你现在还是在你娘的肚子里吧，笑
亏你在你刚才的帖子里说“中微子早百年就被探测出来了”这样的白痴才说出来的话。:D
其实谁不知道，百年前连原子结构都还不了解呢，还会有中微子？
跟你说个笑话你都不懂，你也就成了一个笑话了，哈哈
跟你说个笑话你都不懂，你也就成了一个笑话了，哈哈
行了，你的二两水平我已经清楚乐。:D
你还是好好混个理工科大学文凭吧，不要对不起父母！唉
可惜，大爷我研究生都毕业7、8年乐:D
一个科技狗官，只会是害国害民的俎虫！
你除了向街头泼妇那样会骂大街你还会忽悠什么呀,有本事你也当官呀;P
luyiluyi，
你的确是一副官腔官调，完全是强辞夺理的“政府大官”的人模狗样，只许州官放火不许百姓点灯，够邪恶！真佩服！
你连“中微子”是“暗物质”的一种很有名的物理猜想都不懂，你更不了解“中微子”研究的发展历史和现状，可以肯定你根本就没学过“大学物理的力学卷”，
居然不懂装懂，还敢在中国人面前颠倒黑白，真是从来没见过如此邪恶和不知羞耻之徒！
你的确是一副官腔官调，完全是强辞夺理的“政府大官”的人模狗样，只许州官放火不许百姓点灯，够邪恶！真佩服！
你连“中微子”是“暗物质”的一种很有名的物理猜想都不懂，你更不了解“中微子”研究的发展历史和现状，可以肯定你根本就没学过“大学物理的力学卷”，
居然不懂装懂，还敢在中国人面前颠倒黑白，真是从来没见过如此邪恶和不知羞耻之徒！
呵呵，回去抱本大学物理饿补半个月又抖胆子回来逞强了;P :D
顶个头破血流
研究人员估计，重子物质除了构成星云气体外，也可以构成极密的实体，称为MACHO（MASSIVE ASLROPRLYSICAL COMPACT HAIO OBJECTS）即巨大天体的高密度晕环实体。在MACHO之间，还有黑洞和红矮星之类的天体，但是，所有这些MACHO，仍然难以解释整个暗物质的存在。于是，科学家们把目光转向另一类可能是暗物质的非重子，认为存在具有质量的中微子。
一、中微子的价值
电子和正电子的质量极其微小，仅有中子、质子、反中子中任一粒子质量的1/1836，因此，传统称其为轻子，源自希腊文"细薄"的意思。虽然电子在近100年前首次被发现，然而迄今为止，仍然未能发现其他带有电荷的效应和如何测量它的性质，但我们却不知道它的本质究竟是什么；不论电荷是什么，它总是以最小质量出现，像电子显示的那样。
中微子也是先假设出来的，是意大利的费米给这个想象中存在粒子取名叫中微子，意大利文的意思是"小而中性的"。为什么要假设它的存在呢？长久以来，一直困扰着物理学家的一个问题是，在核衰变中放出的β粒子所带走的能量，不足以和原子核失去的质量相平衡。有一特别的核素发射出的β粒子所带走的能量就和期望值完全一样，而β粒子发射中出了什么问题呢？不足的能量到底跑到什么地方去了？
1922年，迈特纳首次提出上述的问题；到了1930年时，尼耳斯、玻尔已经想要放弃能量守恒定律，至少在应用于亚原子粒子的时期。1931年，沃夫冈、泡利为了要挽救能量守恒定律，对不足能量之谜提出了一个解释，另外有带着缺少的那部分能量的其他粒子和β粒子一起由原子核发射出去；这种神秘的第二种粒子具有相当奇怪的性质：它没有质量而且不具电荷，运动速度为光速，它所具有的仅是一定量的能量——这个粒子像是为了能量平衡而故意虚构出来的。
但是这个粒子一被假设出来，物理学家们立刻就确信它的存在。当中子被发现分离成1个质子和1个如β衰变中一样不具足够能量的电子时，他们更加确信它的存在。
中微子会在质子转换成中子的反应中出现。这个反应的产物是1个中子（粒子）、1个正电子（反粒子）和1 个中微子（粒子）。我们知道质子带正电荷，如果转换成中子，它必然要以正电子的形式快速释放出这个正电荷，其余的能量通过释放无质量无电荷的中微子带走。质子——中子转换发生在太阳以及其他星体所进行的核反应中，所以星体会放出快速而大量的中微子流。据估计星体约有6%——80%的能量是被放出的中微子流带走的。这个估计仅对类似太阳的星体才能成立。1961年，美国物理学家邱洪宜认为，随着星体中心温度的升高，产生中微子的反应变得重要起来。一个星体在其演化过程中，趋向于一个愈来愈热的核心，有更大比率的能量被中微子流带走。
中微子不容易和其他物质起反应。有人计算过，普通中微子可以通过厚达100光年的固态铅，被铅吸收的概率只有50%。所以，任何在太阳核心形成的中微子，生成后就立刻以光速在3秒内达到太阳表面，然后离开太阳，不会遇到任何阻碍。不论白天黑夜，任何由太阳朝向我们而来的中微子都可毫无困难地穿越我们的身体。即使在夜晚，虽然在我们和太阳之间有庞大的地球隔着，中微子照样穿越地球和我们，就像只穿过我们身体一样容易。
邱洪宜还计算出，当星体中心的温度达到6000 000 000K的时候，星体所产生的大部分能量都被伟送到中微子上，这些中微子一旦形成，便带着能量离去，星体中心因此急剧冷却。或许就是这个原因，使星体产生剧烈的收缩而成为天空中一颗明亮的超新星。
二、探测中微子
除非确实查出了中微子的究竟，不然，作为科学家是不愿意仅为信仰而接受某些自然现象或定律的。但是，如何去探测像中微子这样朦胧的实体——一个既没有质量、电荷，而且实际上也不具有与一般物质相互作用倾向的实体呢？
唯一的希望是，虽然中微子与其他粒子反应的概率非常小，但并不是完全没有。中微子通过一百光年厚的固体铅而不受影响上是平均的计算，还是有一些中微子会在完全通过铅之前和其他粒子发生反应的。而且有极少数的中微子（相对于全部的粒子数来说，几乎是无法想象的极小比率），甚至会停止在相当于0、254厘米厚的铅内。
1953年，由洛斯阿拉莫斯（美国核武器研制基地）科学试验室的考恩和莱因斯共同领导的一组物理学家，开始尝试这件近乎不可能的探测工作。他们决定先从反中微子入手。
中微子产生于质子向中子转换中，那么反中微子也产生于任何中子转换成质子的反应中。但是据目前所知，每个星体都会产生庞大的中微子流，而反中微子却不会这样产生。科学家认为反中子的最重要来源是天然放射性和铀裂变（太阳中心的核反应是核聚变）。
科学家把探测反中微子的设备建在佐治亚洲萨凡纳河边原子能委员会（AEG）的一个大型核裂变反应堆旁。这个反应堆可以提供中微子流，极有希望释放出大量的反中微子。为了捕捉反中微子，实验人员使用几个装满水的大水槽，希望让反中微子撞击水中的质子，也就是氢原子核，然后达到探测质子捕捉反中微子的目的。前面我们已知道，当一个质子转变成中子时会放出一个正电子，1个中微子。如果1个质子吸收到一个反中微子后，就会产生以上反应。因此，只要找到转变过程中产生的中子、电子，就可以证明反中微子的存在。
检测中子的存在，可通过在水中溶解化合物，因为镉吸收中子后，会放出具有特定能量的r射线。
正电子的产生，可由它和电子的相互湮灭作用中放射出的另一种r射线鉴别出来。
如果实验信器探测到这两种特定的r射线，而且这两种射线又被确切的时间分离开，那么物理学家就可以确定反中微子的存在。
1956年，恰好是泡利提出中微子假说的1/4世纪后，反中微子的存在终于被证实了。下一步是探测中微子。
探测中微子，和探测反中微子一样，需要一个富含中微子的放射源，最理想的来源当然是太阳；另外，还需要一套与探测反中微子不一样的设备。1个质子吸收1个反中微子就会转换为1个中子，反过来，1个中子吸收到1个中微子也会转变为1个质子，同时放出1个电子（β粒子 ）和1个反中微子。根据这一特性，意大利物理学家庞蒂科沃提出了一个可能的方式，就是使用占氯原子总数约1/4的氯同位素氯37。1个氯37原子核中的中子吸收1个微子，这个中子就会变成质子，同时也会放出1个电子。这样，原子核内将有18个质子和19个中子，而变为氩37（如果不好理解，参考第二章就能理解）。
有一种叫做氯乙烯的有机化合物非常适合探测中微子的需要，美国物理学家R、R、戴维斯在1956年用四氯乙烯做了一个捕捉中微子的陷阱，并先用来证实中微子与反中微子间确实存在差异。假若这两种粒子的确不同，这个氯中子靶就只能探测到中微子而不是反中微子。正如推测的那样，反中微子没有出现。
下一步就是探测由太阳来的中微子。科学家使用了一个装满10万加仑四氯乙烯的大水槽，安放在南达科他州的一个矿坑深处，因为这个矿坑地层厚得足以吸收除中微子以外来自太阳的所有其他粒子。于是出现了这样的奇怪情况——必须潜伏在地底下来研究太阳。这个水槽暴露在中微子下达数月之久，以便累积足够的氩37以利探测。科学家们使用氦气充入大水槽中22小时，终于在氦气中发现微量的氩37，从而证实了中微子的存在。但是，直到1968年，探测到的太阳的中微子数量还不到由当时理论所预测的1/3。
三、中微子的质量
要回答探测到的中微子的数量为什么不到预测的1/3，中微子是否有质量的问题，还有一些有关的知识需要介绍，但那样的话，大多数读者可能就看不下去了，因此我们先谈中微子的质量。
几十年来，对物质基本性质的探索已被简化成了这样一种情形：粒子物理学的标准模型提供了基本框架，而20多种基本粒子中每一种粒子的轮廓就在它们各自的位置上被一一勾画出来。当人数多达近千的一支物理学家队伍1995年发现了顶夸克后，这个拼板游戏似乎可以收场了。只有一点扫尾工作：证实3种最轻的粒子，即电子中微子、µ 子中微子和τ子中微子的质量正如标准模型所预言的那样为零。
但是，1998年6月，参加"超级神冈合作项目"的120位日本和美国的物理学家提出了强有力的证据，证明至少有一种中微子（很可能所有3种中微子）具有某种质量。几乎所有的中微子物理理学家都同意这一结论，因为新的数据得到其他探测器上进行的数年类似观测结果的支持。
新泽西州普林斯顿高级研究所的JOHN N BAHCALL说，这一证据"对我们是完全令人信服的。简直太漂亮了。"
卡内基-梅隆大学的物理学家LINCOLN WOLFEN-STEIN说，最重要的事情可能是，一旦你接受了中微子有质量这种看法，你就会意识到真理多少超出了标准模型范围了。
中微子具有微小质量是一件非同小可的事，它可能有助于解释我们的太阳是如何发光，其他的恒星如何爆发成明亮的超新星，以及为什么星系以我们观察到的模式成团聚集。
中微子具有微小质量的微妙之处将无与伦比。加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的宇宙学家JOEL R、Primack说："即使微子只有1/10电子伏特那样小的一点质量（相比之下，电子的质量为50万电子伏特），中微子的总质量也将达到整个可见宇宙的质量那样多。"
这意味着什么，以大量中微子的形式存在的少量炽热暗物质可能正是弥补天体物理学的另一项统计差额所需要的。第三节提到多项不同方面的证据都提示，宇宙中存在的物质相当于人类仪器所能观测到的物质的10倍之多，中微子现在填补了这些缺失物质的一部分。
然而，如果宇宙果真90%都是由暗物质构成的，而暗物质又是非重子的，那就意味着由我们熟悉的质子和中子——我们人类自身和我们看见、所知道的一切物质，以及本书所讨论的物质都是由其构成的——构成的这个物质世界并不是宇宙的规律性事物，而只是一种例外。鉴于现在的物理学及其定律都是建立在重子物质基础上的，那么就得承认，现有的物理学及其定律只是支配"真"宇宙的物质定律的模式的一个小小的组成部分。
但是，中微子的质量是否大得足以对宇宙的命运和物质的组成产生重大的影响仍然是一个谜。德克萨斯大学教授、标准模型的设计师之一STEREN WEINBERY说："没有关于中微子质量及其转变幅度的更确切资料，我们就不能够把理论建立在它的基础之上。我们现在离这一步还远得很。但是即将进行的某些非常重要的实验可能会回答这些问题。"
一、中微子的价值
电子和正电子的质量极其微小，仅有中子、质子、反中子中任一粒子质量的1/1836，因此，传统称其为轻子，源自希腊文"细薄"的意思。虽然电子在近100年前首次被发现，然而迄今为止，仍然未能发现其他带有电荷的效应和如何测量它的性质，但我们却不知道它的本质究竟是什么；不论电荷是什么，它总是以最小质量出现，像电子显示的那样。
中微子也是先假设出来的，是意大利的费米给这个想象中存在粒子取名叫中微子，意大利文的意思是"小而中性的"。为什么要假设它的存在呢？长久以来，一直困扰着物理学家的一个问题是，在核衰变中放出的β粒子所带走的能量，不足以和原子核失去的质量相平衡。有一特别的核素发射出的β粒子所带走的能量就和期望值完全一样，而β粒子发射中出了什么问题呢？不足的能量到底跑到什么地方去了？
1922年，迈特纳首次提出上述的问题；到了1930年时，尼耳斯、玻尔已经想要放弃能量守恒定律，至少在应用于亚原子粒子的时期。1931年，沃夫冈、泡利为了要挽救能量守恒定律，对不足能量之谜提出了一个解释，另外有带着缺少的那部分能量的其他粒子和β粒子一起由原子核发射出去；这种神秘的第二种粒子具有相当奇怪的性质：它没有质量而且不具电荷，运动速度为光速，它所具有的仅是一定量的能量——这个粒子像是为了能量平衡而故意虚构出来的。
但是这个粒子一被假设出来，物理学家们立刻就确信它的存在。当中子被发现分离成1个质子和1个如β衰变中一样不具足够能量的电子时，他们更加确信它的存在。
中微子会在质子转换成中子的反应中出现。这个反应的产物是1个中子（粒子）、1个正电子（反粒子）和1 个中微子（粒子）。我们知道质子带正电荷，如果转换成中子，它必然要以正电子的形式快速释放出这个正电荷，其余的能量通过释放无质量无电荷的中微子带走。质子——中子转换发生在太阳以及其他星体所进行的核反应中，所以星体会放出快速而大量的中微子流。据估计星体约有6%——80%的能量是被放出的中微子流带走的。这个估计仅对类似太阳的星体才能成立。1961年，美国物理学家邱洪宜认为，随着星体中心温度的升高，产生中微子的反应变得重要起来。一个星体在其演化过程中，趋向于一个愈来愈热的核心，有更大比率的能量被中微子流带走。
中微子不容易和其他物质起反应。有人计算过，普通中微子可以通过厚达100光年的固态铅，被铅吸收的概率只有50%。所以，任何在太阳核心形成的中微子，生成后就立刻以光速在3秒内达到太阳表面，然后离开太阳，不会遇到任何阻碍。不论白天黑夜，任何由太阳朝向我们而来的中微子都可毫无困难地穿越我们的身体。即使在夜晚，虽然在我们和太阳之间有庞大的地球隔着，中微子照样穿越地球和我们，就像只穿过我们身体一样容易。
邱洪宜还计算出，当星体中心的温度达到6000 000 000K的时候，星体所产生的大部分能量都被伟送到中微子上，这些中微子一旦形成，便带着能量离去，星体中心因此急剧冷却。或许就是这个原因，使星体产生剧烈的收缩而成为天空中一颗明亮的超新星。
二、探测中微子
除非确实查出了中微子的究竟，不然，作为科学家是不愿意仅为信仰而接受某些自然现象或定律的。但是，如何去探测像中微子这样朦胧的实体——一个既没有质量、电荷，而且实际上也不具有与一般物质相互作用倾向的实体呢？
唯一的希望是，虽然中微子与其他粒子反应的概率非常小，但并不是完全没有。中微子通过一百光年厚的固体铅而不受影响上是平均的计算，还是有一些中微子会在完全通过铅之前和其他粒子发生反应的。而且有极少数的中微子（相对于全部的粒子数来说，几乎是无法想象的极小比率），甚至会停止在相当于0、254厘米厚的铅内。
1953年，由洛斯阿拉莫斯（美国核武器研制基地）科学试验室的考恩和莱因斯共同领导的一组物理学家，开始尝试这件近乎不可能的探测工作。他们决定先从反中微子入手。
中微子产生于质子向中子转换中，那么反中微子也产生于任何中子转换成质子的反应中。但是据目前所知，每个星体都会产生庞大的中微子流，而反中微子却不会这样产生。科学家认为反中子的最重要来源是天然放射性和铀裂变（太阳中心的核反应是核聚变）。
科学家把探测反中微子的设备建在佐治亚洲萨凡纳河边原子能委员会（AEG）的一个大型核裂变反应堆旁。这个反应堆可以提供中微子流，极有希望释放出大量的反中微子。为了捕捉反中微子，实验人员使用几个装满水的大水槽，希望让反中微子撞击水中的质子，也就是氢原子核，然后达到探测质子捕捉反中微子的目的。前面我们已知道，当一个质子转变成中子时会放出一个正电子，1个中微子。如果1个质子吸收到一个反中微子后，就会产生以上反应。因此，只要找到转变过程中产生的中子、电子，就可以证明反中微子的存在。
检测中子的存在，可通过在水中溶解化合物，因为镉吸收中子后，会放出具有特定能量的r射线。
正电子的产生，可由它和电子的相互湮灭作用中放射出的另一种r射线鉴别出来。
如果实验信器探测到这两种特定的r射线，而且这两种射线又被确切的时间分离开，那么物理学家就可以确定反中微子的存在。
1956年，恰好是泡利提出中微子假说的1/4世纪后，反中微子的存在终于被证实了。下一步是探测中微子。
探测中微子，和探测反中微子一样，需要一个富含中微子的放射源，最理想的来源当然是太阳；另外，还需要一套与探测反中微子不一样的设备。1个质子吸收1个反中微子就会转换为1个中子，反过来，1个中子吸收到1个中微子也会转变为1个质子，同时放出1个电子（β粒子 ）和1个反中微子。根据这一特性，意大利物理学家庞蒂科沃提出了一个可能的方式，就是使用占氯原子总数约1/4的氯同位素氯37。1个氯37原子核中的中子吸收1个微子，这个中子就会变成质子，同时也会放出1个电子。这样，原子核内将有18个质子和19个中子，而变为氩37（如果不好理解，参考第二章就能理解）。
有一种叫做氯乙烯的有机化合物非常适合探测中微子的需要，美国物理学家R、R、戴维斯在1956年用四氯乙烯做了一个捕捉中微子的陷阱，并先用来证实中微子与反中微子间确实存在差异。假若这两种粒子的确不同，这个氯中子靶就只能探测到中微子而不是反中微子。正如推测的那样，反中微子没有出现。
下一步就是探测由太阳来的中微子。科学家使用了一个装满10万加仑四氯乙烯的大水槽，安放在南达科他州的一个矿坑深处，因为这个矿坑地层厚得足以吸收除中微子以外来自太阳的所有其他粒子。于是出现了这样的奇怪情况——必须潜伏在地底下来研究太阳。这个水槽暴露在中微子下达数月之久，以便累积足够的氩37以利探测。科学家们使用氦气充入大水槽中22小时，终于在氦气中发现微量的氩37，从而证实了中微子的存在。但是，直到1968年，探测到的太阳的中微子数量还不到由当时理论所预测的1/3。
三、中微子的质量
要回答探测到的中微子的数量为什么不到预测的1/3，中微子是否有质量的问题，还有一些有关的知识需要介绍，但那样的话，大多数读者可能就看不下去了，因此我们先谈中微子的质量。
几十年来，对物质基本性质的探索已被简化成了这样一种情形：粒子物理学的标准模型提供了基本框架，而20多种基本粒子中每一种粒子的轮廓就在它们各自的位置上被一一勾画出来。当人数多达近千的一支物理学家队伍1995年发现了顶夸克后，这个拼板游戏似乎可以收场了。只有一点扫尾工作：证实3种最轻的粒子，即电子中微子、µ 子中微子和τ子中微子的质量正如标准模型所预言的那样为零。
但是，1998年6月，参加"超级神冈合作项目"的120位日本和美国的物理学家提出了强有力的证据，证明至少有一种中微子（很可能所有3种中微子）具有某种质量。几乎所有的中微子物理理学家都同意这一结论，因为新的数据得到其他探测器上进行的数年类似观测结果的支持。
新泽西州普林斯顿高级研究所的JOHN N BAHCALL说，这一证据"对我们是完全令人信服的。简直太漂亮了。"
卡内基-梅隆大学的物理学家LINCOLN WOLFEN-STEIN说，最重要的事情可能是，一旦你接受了中微子有质量这种看法，你就会意识到真理多少超出了标准模型范围了。
中微子具有微小质量是一件非同小可的事，它可能有助于解释我们的太阳是如何发光，其他的恒星如何爆发成明亮的超新星，以及为什么星系以我们观察到的模式成团聚集。
中微子具有微小质量的微妙之处将无与伦比。加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的宇宙学家JOEL R、Primack说："即使微子只有1/10电子伏特那样小的一点质量（相比之下，电子的质量为50万电子伏特），中微子的总质量也将达到整个可见宇宙的质量那样多。"
这意味着什么，以大量中微子的形式存在的少量炽热暗物质可能正是弥补天体物理学的另一项统计差额所需要的。第三节提到多项不同方面的证据都提示，宇宙中存在的物质相当于人类仪器所能观测到的物质的10倍之多，中微子现在填补了这些缺失物质的一部分。
然而，如果宇宙果真90%都是由暗物质构成的，而暗物质又是非重子的，那就意味着由我们熟悉的质子和中子——我们人类自身和我们看见、所知道的一切物质，以及本书所讨论的物质都是由其构成的——构成的这个物质世界并不是宇宙的规律性事物，而只是一种例外。鉴于现在的物理学及其定律都是建立在重子物质基础上的，那么就得承认，现有的物理学及其定律只是支配"真"宇宙的物质定律的模式的一个小小的组成部分。
但是，中微子的质量是否大得足以对宇宙的命运和物质的组成产生重大的影响仍然是一个谜。德克萨斯大学教授、标准模型的设计师之一STEREN WEINBERY说："没有关于中微子质量及其转变幅度的更确切资料，我们就不能够把理论建立在它的基础之上。我们现在离这一步还远得很。但是即将进行的某些非常重要的实验可能会回答这些问题。"
没听懂啊·～我还得在学习啊·～呵呵