歷經(jīng)幾個世紀的探索，人類對世界的認識范圍包含了一百多億光年（1025m）尺度的浩瀚宇宙至10?35m（普朗克長度）的微小基本粒子。隨著探索的深入，我們意識到所知道的竟然是宇宙很少的一部分。這難道還不讓人驚奇、費解并值得深究和探討嗎？探尋大量暗藏在宇宙中的物質(zhì)，找回“缺失”的宇宙，或者說尋找“隱藏”的宇宙，必然是一個“天大”的課題。

波蘭天文學家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473—1543 年） 在1543 年出版的《天體運行論》一書中指出，“地球并不是宇宙的中心，地球只是圍繞太陽運行的一顆普通行星, 而且自身又有轉(zhuǎn)動”。哥白尼的“日心說”推翻了統(tǒng)治天文學千年的“地球是宇宙中心”的“地心說”，是人類對宇宙認識的第一次飛躍。此后，天文學和宇宙學的實驗觀察和理論研究不斷地突破了人們關于宇宙構(gòu)成的認知。

地球不是中心，太陽也不是中心，甚至銀河系還不是。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。同樣，暗物質(zhì)和暗能量的存在是以前人類從未想象、也無法想象的事情。今天，隨著暗物質(zhì)、暗能量被證實在宇宙中占有很大比例，這難道不是對我們的宇宙觀及物質(zhì)觀的極大沖擊和巨大突破嗎？

也許，正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演變，如果沒有暗物質(zhì)就不會形成今天的星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。盡管宇宙在極大的尺度上似乎是均勻和各向同性的，但在一些小尺度上卻存在著恒星、星系、星系堆積或星系團。

我們知道，大尺度上能夠維持物質(zhì)運動的力就只有引力了。我們也知道，絕對均勻分布的物質(zhì)之間不會有能使其運動的力。因此，今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)應該出自宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落又會在宇宙微波背景（cosmic microwave background,CMB）中留下一些痕跡。如果我們不了解占宇宙幾乎四分之一的暗物質(zhì)的性質(zhì)，不了解宇宙極早期暗物質(zhì)的分布或漲落，就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙和宇宙的演化。只有進一步探索這些“不可見的宇宙”，找到暗藏在宇宙中的物質(zhì)，才能真正全面地認識宇宙的構(gòu)成；只有了解“暗物質(zhì)”和“暗能量”如何影響銀河系及整個宇宙的過去、現(xiàn)在和未來，人類才能最終理解宇宙的起源。

所以說，暗物質(zhì)的探究對宇宙學、天文學的發(fā)展具有重大的意義，同時對研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和基本相互作用的粒子物理學也是重大挑戰(zhàn)。20 世紀末美國國家科學技術委員會（National Science andTechnology Council, NSTC）組織了“宇宙物理學”的跨部委的工作小組，研究21 世紀的重大科學前沿問題，并在2004 年5 月初發(fā)表了“宇宙物理學”報告（封面照片見圖1.4.1）。報告中提出了“建立夸克和宇宙的聯(lián)系——新世紀的11 個科學問題”，其中第一個問題就是“什么是暗物質(zhì)（What isthe dark matter?）”。可見，暗物質(zhì)的偵測與研究不僅是橫跨“宇宙學”“天文學”“粒子物理學”三大學科的重大基礎研究課題，而且是對這三大學科的重大挑戰(zhàn)。

世紀的11 個科學問題”，其中第一個問題就是“什么是暗物質(zhì)（What is the dark matter?）”?？梢?，暗物質(zhì)的偵測與研究不僅是橫跨“宇宙學”“天文學”“粒子物理學”三大學科的重大基礎研究課題，而且是對這三大學科的重大挑戰(zhàn)。

目前物理學界有兩個理論： 一個是關于宇宙結(jié)構(gòu)和演化的宇宙學標準模型——大爆炸宇宙論；一個是關于物質(zhì)基本構(gòu)成和相互作用的基本粒子物理學標準模型理論。

暗物質(zhì)密切關系到宇宙的生成與演變

“大爆炸宇宙論”認為：宇宙是150 億年前由一個極其致密和熾熱的奇點在一次大爆炸后膨脹形成的。1929 年美國天文學家哈勃依據(jù)天文觀察提出了星系的紅移量與星系間距離成正比的哈勃定律，并推導出星系都在互相遠離并不斷膨脹。這就是說，不管你在哪里，也不管你向哪個方向看，遠處的星系都正在快速遠離你而去。換言之，宇宙正在不斷地膨脹。這也意味著很久很久以前星體相互之間靠得很近很近。

依照星系遠離我們而去的速度可以推算出，大約100 億至200 億年之前的某一時間，它們應該聚集在同一地方，顯然，此時的密度應該非同尋常的大。哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示了存在著某個起始時刻，宇宙從此時刻開始互相遠離膨脹。1950 年前后，俄裔美國科學家伽莫夫第一個建立了熱暴脹理論。他提出，在宇宙極早期的時候，宇宙很小，然后有一非常短的暴脹階段，其后宇宙立即變得很大。以伽莫夫建立的熱暴脹理論為基礎，經(jīng)過之后的幾十年努力，宇宙學家們?yōu)槲覀児串嫵鲆徊坑钪嫜莼臍v史：

首先是宇宙起點的10^-43s 大爆炸，接著10^-35~10^-33s 暴脹，暴脹期的溫度為10^27~10^22K，主要成分為夸克、電子等最基本粒子，而后溫度下降。

大爆炸后數(shù)分鐘內(nèi)出現(xiàn)了一些核反應，合成出宇宙中幾乎所有的氦。隨著膨脹的進行，宇宙逐漸變冷。宇宙中物質(zhì)冷卻的過程中聚結(jié)成原初的

星系。原初的星系一方面分裂為恒星，另一方面聚在一起成為范圍更廣的集團。隨著恒星的誕生和死亡，逐漸合成出碳、氧、硅、鐵這類重元素…… 圖1.4.2 形象地描繪出宇宙暴脹過程的幾個時期的特點，圖中的橫軸表示時間。大爆炸理論引導著我們?nèi)プ匪菡麄€宇宙的演化，從時間的頭幾毫秒到地球的形成、生命的出現(xiàn)，甚至可能的未來。同樣，如果存在暗物質(zhì)的話，也應該在宇宙早期的38 萬年以前就形成了；暗物質(zhì)粒子也應該是那個時候產(chǎn)生的，至少是在質(zhì)子、中子等被稱作重子物質(zhì)產(chǎn)生之前產(chǎn)生的。隨后，宇宙變得很冷了。

暗物質(zhì)的概念不僅來自人們觀察宇宙天體運動中的各種奇特的現(xiàn)象（如1.2 節(jié)中的天體運動的典型例子），也出自對宇宙產(chǎn)生與演化的理論研究。

按照大爆炸宇宙學，整個宇宙的幾何性質(zhì)是由其質(zhì)量- 能量密度（或稱宇宙密度）決定的?；谟钪嬖诖蟪叨壬鲜蔷鶆蚣案飨蛲缘幕菊J識，宇宙的幾何空間結(jié)構(gòu)由所謂的羅伯遜- 沃爾克（ Robertson-Walker）度規(guī)來描述。根據(jù)宇宙物質(zhì)密度的不同，由羅伯遜- 沃爾克度規(guī)描述的宇宙有以下三種基本類型。

設宇宙的密度為ρ ，存在一個臨界密度（羅伯遜- 沃爾克臨界密度）為ρ c（c為下標），其數(shù)值為

（其中，H 0 為當前的哈勃（Hubble）常數(shù)，下標 0 表示一個量的當前數(shù)值。G 為牛頓的萬有引力常數(shù)）。

（1）當宇宙物質(zhì)密度高于臨界密度ρ c ，宇宙的空間曲率為正，宇宙幾何是球形的，是封閉的；

（2）當宇宙物質(zhì)密度等于臨界密度，宇宙的空間曲率為零，宇宙是平直的；

（3）當宇宙物質(zhì)密度小于臨界密度，宇宙的空間曲率為負，宇宙是開放的，呈馬鞍形。

如果用 Ω 表示宇宙物質(zhì)密度與臨界密度之比（ρ /ρ c），則上述三種情形分別對應于Ω >1，Ω =1 和Ω <1。

我們的宇宙適合于這三種情形中的哪一種呢？研究宇宙演化的理論有一條重要定律——Ω 應滿足下面的關系式：

（Ω -1）/（Ω 0-1）=（R /R 0）α

式中，R 是描述宇宙尺度的物理量；α 是正的指數(shù)值，其數(shù)值取決于宇宙中輻射與物質(zhì)的主導地位，宇宙早期以輻射為主導，則α =2，當前的宇宙以物質(zhì)占主導，則 α =1。

由關系式不難看出，初始宇宙尺度越小，Ω 就越接近 1。盡管測量不很準確，當前值Ω 0 值的數(shù)量級也在 1 左右。天文學家以今天宇宙的尺度1026m 推算出在宇宙極早期（10-35m 尺度）的Ω -1 約為 10-60 或更小，也就是說宇宙極早期的Ω 約為

Ω = 1.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

這表明極早期宇宙的Ω 值非常接近1。很難想象，為什么在宇宙的初始條件中會出現(xiàn)Ω 如此接近于 1，或者說為什么我們宇宙的初始空間曲率會如此地接近于零？我們需要有一個理論來解釋。在大爆炸宇宙模型中引入了宇宙暴脹概念可以給以不錯的解釋。今天的暴脹宇宙學理論不僅可以解釋宇宙早期 Ω 如此地接近 1，還進一步預言今天的Ω 0 也特別接近1（現(xiàn)實的宇宙已經(jīng)處于接近平直狀態(tài)達幾十億年）?；蛘哒f，暴脹宇宙學暗示，宇宙的物質(zhì)密度應該非常接近于臨界密度。

為此，我們對宇宙物質(zhì)密度及臨界密度都做了大量觀測。盡管存在一些誤差，觀測顯示，可見物質(zhì)的密度遠遠小于臨界密度。這么大的差距從哪里來？可不可以用暗物質(zhì)理論來解釋？特別是采用WIMP 假設理論呢？

當然，WIMP 能否真正解釋暗物質(zhì)，還取決于它們的數(shù)量大小。與夸克、電子等粒子一樣，WIMP 也是在宇宙大爆炸初期的高溫中產(chǎn)生的。在宇宙的極早期，雖然高能粒子的碰撞既有WIMP 的產(chǎn)生，也有WIMP的湮滅，但在任意時刻都有一定數(shù)量的WIMP 存在。

這一數(shù)量會隨時間的推移而變化，變化程度取決于受宇宙膨脹過程中“產(chǎn)生”“湮滅”兩個過程的平衡程度。一方面，宇宙的冷卻降低了碰撞的能量，導致產(chǎn)生的WIMP 數(shù)量逐漸減少；另一方面，宇宙膨脹使粒子密度降低，從而降低了粒子碰撞或湮滅的頻率，直到碰撞或湮滅不可能再發(fā)生為止。到大爆炸后大約 10ns（1ns 為十億分之一s），宇宙不再擁有產(chǎn)生WIMP 所需的高能量，同時也不再具備讓它們湮滅所需的高密度，WIMP 的數(shù)量便保存了下來。

在假設WIMP 的預期質(zhì)量以及它們的相互作用強度（這決定了正反WIMP 湮滅的發(fā)生頻率）的基礎上，物理學家計算出會保留下來的WIMP 數(shù)量。讓科學家非常興奮的是，計算出來的 WIMP 的數(shù)量和質(zhì)量剛好能夠解釋今天宇宙中的暗物質(zhì)比例。科學家把如此不同尋常的吻合稱為“WIMP 巧合”（WIMP coincidence）。這也是把WIMP 作為首選暗物質(zhì)粒子的重要原因。當然，這不過是在假設存在WIMP 的基礎上對宇宙學的觀測事實的解釋, 只有當WIMP 被真正探尋到才可以得到證實。

這樣，兩個十分重大而又非常基本的問題擺在我們面前：宇宙學的大爆炸宇宙論中能夠使宇宙膨脹的動力是什么？目前所觀察到的宇宙物質(zhì)密度遠小于臨界密度的緣由是什么？前者可能是暗能量，后者可能就是暗物質(zhì)。由此不難看出暗物質(zhì)研究的重大意義了，對暗物質(zhì)的探索絕對是天文學、宇宙學和天體物理學的重大前沿課題。

夢寐以求的基本粒子

我們知道，普通的物質(zhì)是由最基本的粒子組合而成的。物質(zhì)由原子、分子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由核子（即中子和質(zhì)子）構(gòu)成，而核子由最基本的夸克構(gòu)成。

我們已知的基本粒子如圖1.4.3（a）所示，包括： 六種夸克分別用字母 u、d、s、c、t、b 表示；六種輕子分別用：e、μ、τ、νμ、νe、ντ 表示以及它們的反粒子； 另外有傳遞相互作用的粒子（傳遞電磁作用的伽馬γ，傳遞強作用的膠子g 和傳遞弱作用的 W、Z 粒子）以及希格斯粒子。另外，普通粒子的相互作用除引力外，還有電磁作用、核子之間的強作用以及輕子之間的弱作用。圖1.4.3（b）中形象地給出了不同粒子的幾種相互作用，圖中最低層的三種中微子νμ、νe、ντ 只有弱作用；中間層的三種帶電的輕子參加電磁作用；最上面的六種夸克之間是強相互作用。

我們要問：第一，暗物質(zhì)粒子（如上面所說的WIMP 粒子等）是否是我們已經(jīng)知道的這些粒子中的某種粒子？第二，暗物質(zhì)粒子本身之間有什么樣的作用？第三，暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)粒子之間除引力之外還會有其他作用嗎？第四，如果有作用，是普通物質(zhì)粒子相互作用中的某一種呢，還是存在其他作用？……可見，尋找暗物質(zhì)粒子不僅對粒子物理研究具有重大的意義，也是對粒子物理的一個重大挑戰(zhàn)。這就不難理解，為什么把暗物質(zhì)的尋找和研究稱為21 世紀“建立夸克和宇宙的聯(lián)系”的首個重大課題了。

粒子物理學的標準模型理論十分成功地解釋了各種實驗現(xiàn)象，被廣泛地接受。特別是最近，標準理論中預言的“上帝粒子”在最大強子對撞機LHC 實驗中被找到?！吧系哿Ｗ印保次锢砩戏Q之為的希格斯（Higgs）粒子）的證實，表明粒子物理學的標準模型理論近乎完美。

但是標準模型理論也有其不足之處。在粒子物理理論中還有一些棘手的問題，比如標準模型中著名的等級問題（ Hierarchy Problem），即為什么在電弱統(tǒng)一的能標與其他幾種作用統(tǒng)一的能標（或稱普朗克能標）之間存在高達十幾個數(shù)量級的差別？此外，基本粒子按照自旋的差別被分為兩大類，自旋為整數(shù)的粒子（被稱為玻色子（ Boson））及自旋為半整數(shù)的粒子（被稱為費米子 （Fermion）），而這兩類粒子的基本性質(zhì)截然不同。什么樣的對稱性能將這兩類粒子聯(lián)系起來呢？能夠回答這些的理論被稱為“超對稱理論”。超對稱是指費米子和玻色子之間的一種對稱性。該理論認為，標準理論中的每個粒子都有和它鏡像對稱的粒子伴，如圖1.4.4 所示。

超對稱理論所預言的粒子叫超對稱粒子。圖1.4.5 給出了和標準理論粒子對應的超對稱粒子的名稱和自旋。該理論還認為，雖然在相互作用能量低的時候（能標低的時候），電磁作用、強作用、弱作用，甚至引力作用的作用強度有很大不同；當相互作用能量很高的時候（能標很高的時候），就會趨于一致，而且可能在某個能標下這幾種作用幾乎相同（見圖1.4.6）。我們也可以這樣理解，宇宙中只有一種相互作用，只是能標低的時候表現(xiàn)為不同形式而已。例如電磁作用，在某些時候只表現(xiàn)磁作用，某些時候只表現(xiàn)電作用，但它們本質(zhì)上是同一種作用在不同場合下的不同表現(xiàn)而已。

超對稱理論大大簡化了粒子物理的基本構(gòu)架，約化了相互作用，但也帶來了煩惱。最討厭的是在基本粒子大家庭中憑空增添了成倍的成員。超對稱理論還預言了一種“ 中性伴子”，它具有一定質(zhì)量，壽命還很長。“中性伴子”之間的相互作用以及與普通物質(zhì)的作用都很弱，很容易“穿過”正常物質(zhì)。

遺憾的是，多年來這種理論所預言的那么多的超對稱粒子，包括“中性伴子”，一個也沒有找到。人們不禁要問，它們會不會是暗物質(zhì)粒子呢？如果暗物質(zhì)粒子是某種超對稱粒子的話，將是對該理論重大的實驗支持。從這里也不難看出，暗物質(zhì)粒子的偵測對基本粒子物理學是多么的重要，又是多么的需要。

物理學家們在展望20 世紀物理學前景時認為，“19 世紀的物理學天空被‘兩朵烏云’籠罩了”，20 世紀對這“兩朵烏云”的探究出現(xiàn)了“量子論”和“相對論”，給物理學界帶來了革命性的變革，極大地推進了人類對客觀物質(zhì)世界的認識。

21 世紀的今天，現(xiàn)代物理學的天空中又有“兩朵烏云”——暗物質(zhì)和暗能量。揭開暗物質(zhì)和暗能量這“兩朵烏云”之謎，很可能導致下一場物理學的革命，促成人類對物質(zhì)世界和宇宙認識的又一次重大飛躍。