歷經幾個世紀的探索，人類對世界的認識範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、費解並值得深究和探討嗎？探尋大量暗藏在宇宙中的物質，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，“地球並不是宇宙的中心，地球只是圍繞太陽運行的一顆普通行星, 而且自身又有轉動”。哥白尼的“日心說”推翻了統治天文學千年的“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。此後，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於宇宙構成的認知。
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、暗能量被證實在宇宙中佔有很大比例，這難道不是對我們的宇宙觀及物質觀的極大衝擊和巨大突破嗎？
也許，正是暗物質促成了宇宙結構的形成和演變，如果沒有暗物質就不會形成今天的星系、恆星和行星，也就更談不上今天的人類了。儘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恆星、星系、星系堆積或星系團。
我們知道，大尺度上能夠維持物質運動的力就只有引力了。我們也知道，絕對均勻分佈的物質之間不會有能使其運動的力。因此，今天所有的宇宙結構應該出自宇宙極早期物質分佈的微小漲落，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。如果我們不瞭解佔宇宙幾乎四分之一的暗物質的性質，不瞭解宇宙極早期暗物質的分佈或漲落，就不能說我們已經瞭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，才能真正全面地認識宇宙的構成；只有瞭解“暗物質”和“暗能量”如何影響銀河系及整個宇宙的過去、現在和未來，人類才能最終理解宇宙的起源。
所以說，暗物質的探究對宇宙學、天文學的發展具有重大的意義，同時對研究物質基本結構和基本相互作用的粒子物理學也是重大挑戰。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，並在2004 年5 月初發表了“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繫——新世紀的11 個科學問題”，其中第一個問題就是“什麼是暗物質（What isthe dark matter?）”。可見，暗物質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。
圖1.4.1 “宇宙物理學”報告的封面
世紀的11 個科學問題”，其中第一個問題就是“什麼是暗物質（What is the dark matter?）”。可見，暗物質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。
目前物理學界有兩個理論： 一個是關於宇宙結構和演化的宇宙學標準模型——大爆炸宇宙論；一個是關於物質基本構成和相互作用的基本粒子物理學標準模型理論。
暗物質密切關係到宇宙的生成與演變
“大爆炸宇宙論”認為：宇宙是150 億年前由一個極其緻密和熾熱的奇點在一次大爆炸後膨脹形成的。1929 年美國天文學家哈勃依據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，並推導出星系都在互相遠離並不斷膨脹。這就是說，不管你在哪裡，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。哈勃的發現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 年前後，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，然後有一非常短的暴脹階段，其後宇宙立即變得很大。以伽莫夫建立的熱暴脹理論為基礎，經過之後的幾十年努力，宇宙學家們為我們勾畫出一部宇宙演化的歷史：
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，而後溫度下降。
大爆炸後數分鐘內出現了一些核反應，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。宇宙中物質冷卻的過程中聚結成原初的
星系。原初的星系一方面分裂為恆星，另一方面聚在一起成為範圍更廣的集團。隨著恆星的誕生和死亡，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去追溯整個宇宙的演化，從時間的頭幾毫秒到地球的形成、生命的出現，甚至可能的未來。同樣，如果存在暗物質的話，也應該在宇宙早期的38 萬年以前就形成了；暗物質粒子也應該是那個時候產生的，至少是在質子、中子等被稱作重子物質產生之前產生的。隨後，宇宙變得很冷了。
暗物質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象（如1.2 節中的天體運動的典型例子），也出自對宇宙產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是由其質量- 能量密度（或稱宇宙密度）決定的。基於宇宙在大尺度上是均勻及各向同性的基本認識，宇宙的幾何空間結構由所謂的羅伯遜- 沃爾克（ Robertson-Walker）度規來描述。根據宇宙物質密度的不同，由羅伯遜- 沃爾克度規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），其數值為
（其中，H 0 為當前的哈勃（Hubble）常數，下標 0 表示一個量的當前數值。G 為牛頓的萬有引力常數）。
（1）當宇宙物質密度高於臨界密度ρ c ，宇宙的空間曲率為正，宇宙幾何是球形的，是封閉的；
（2）當宇宙物質密度等於臨界密度，宇宙的空間曲率為零，宇宙是平直的；
（3）當宇宙物質密度小於臨界密度，宇宙的空間曲率為負，宇宙是開放的，呈馬鞍形。
如果用 Ω 表示宇宙物質密度與臨界密度之比（ρ /ρ c），則上述三種情形分別對應於Ω >1，Ω =1 和Ω <1。
我們的宇宙適合於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 應滿足下面的關係式：
（Ω -1）/（Ω 0-1）=（R /R 0）α
式中，R 是描述宇宙尺度的物理量；α 是正的指數值，其數值取決於宇宙中輻射與物質的主導地位，宇宙早期以輻射為主導，則α =2，當前的宇宙以物質佔主導，則 α =1。
由關係式不難看出，初始宇宙尺度越小，Ω 就越接近 1。儘管測量不很準確，當前值Ω 0 值的數量級也在 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，為什麼在宇宙的初始條件中會出現Ω 如此接近於 1，或者說為什麼我們宇宙的初始空間曲率會如此地接近於零？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（現實的宇宙已經處於接近平直狀態達幾十億年）。或者說，暴脹宇宙學暗示，宇宙的物質密度應該非常接近於臨界密度。
為此，我們對宇宙物質密度及臨界密度都做了大量觀測。儘管存在一些誤差，觀測顯示，可見物質的密度遠遠小於臨界密度。這麼大的差距從哪裡來？可不可以用暗物質理論來解釋？特別是採用WIMP 假設理論呢？
當然，WIMP 能否真正解釋暗物質，還取決於它們的數量大小。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生的。在宇宙的極早期，雖然高能粒子的碰撞既有WIMP 的產生，也有WIMP的湮滅，但在任意時刻都有一定數量的WIMP 存在。
這一數量會隨時間的推移而變化，變化程度取決於受宇宙膨脹過程中“產生”“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，導致產生的WIMP 數量逐漸減少；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生為止。到大爆炸後大約 10ns（1ns 為十億分之一s），宇宙不再擁有產生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 的數量便保存了下來。
在假設WIMP 的預期質量以及它們的相互作用強度（這決定了正反WIMP 湮滅的發生頻率）的基礎上，物理學家計算出會保留下來的WIMP 數量。讓科學家非常興奮的是，計算出來的 WIMP 的數量和質量剛好能夠解釋今天宇宙中的暗物質比例。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麼？目前所觀察到的宇宙物質密度遠小於臨界密度的緣由是什麼？前者可能是暗能量，後者可能就是暗物質。由此不難看出暗物質研究的重大意義了，對暗物質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，普通的物質是由最基本的粒子組合而成的。物質由原子、分子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由核子（即中子和質子）構成，而核子由最基本的夸克構成。
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，暗物質粒子（如上面所說的WIMP 粒子等）是否是我們已經知道的這些粒子中的某種粒子？第二，暗物質粒子本身之間有什麼樣的作用？第三，暗物質粒子與普通物質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。這就不難理解，為什麼把暗物質的尋找和研究稱為21 世紀“建立夸克和宇宙的聯繫”的首個重大課題了。
圖1.4.3 基本粒子及相互作用（a）組成物質的基本粒子和傳遞作用的玻色子；（b）三種相互作用和
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。“上帝粒子”（即物理上稱之為的希格斯（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），即為什麼在電弱統一的能標與其他幾種作用統一的能標（或稱普朗克能標）之間存在高達十幾個數量級的差別？此外，基本粒子按照自旋的差別被分為兩大類，自旋為整數的粒子（被稱為玻色子（ Boson））及自旋為半整數的粒子（被稱為費米子 （Fermion）），而這兩類粒子的基本性質截然不同。什麼樣的對稱性能將這兩類粒子聯繫起來呢？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。
圖1.4.4 基本粒子及其鏡像的超對稱粒子示意圖
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），就會趨於一致，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為不同形式而已。例如電磁作用，在某些時候只表現磁作用，某些時候只表現電作用，但它們本質上是同一種作用在不同場合下的不同表現而已。
圖1.4.5 基本粒子與其對應的超對稱粒子
超對稱理論大大簡化了粒子物理的基本構架，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”，它具有一定質量，壽命還很長。“中性伴子”之間的相互作用以及與普通物質的作用都很弱，很容易“穿過”正常物質。
圖1.4.6 不同能標下的幾種相互作用強度
遺憾的是，多年來這種理論所預言的那麼多的超對稱粒子，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粒子呢？如果暗物質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。從這裡也不難看出，暗物質粒子的偵測對基本粒子物理學是多麼的重要，又是多麼的需要。
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‘兩朵烏雲’籠罩了”，20 世紀對這“兩朵烏雲”的探究出現了“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世界的認識。
21 世紀的今天，現代物理學的天空中又有“兩朵烏雲”——暗物質和暗能量。揭開暗物質和暗能量這“兩朵烏雲”之謎，很可能導致下一場物理學的革命，促成人類對物質世界和宇宙認識的又一次重大飛躍。
這就不難理解，為什麼在2008 年歐洲推出的“物理學長期發展規劃”中將暗物質列為21 世紀的六大科學難題之首；2009 年，中國科學院戰略研究系列報告“創新2050 ： 科學技術與中國未來”中指出，暗物質是不遠的未來可能出現革命性突破的重大基本科學課題。美國國家科學院發佈的天文及天體物理“2012—2021 十年規劃”中，暗物質和暗能量是主要的研究方向。
小結
今天，我們已經信心滿滿地觀察到幾乎所有不同波段的宇宙，可以說是一覽無遺地“看”到了整個宇宙。萬萬沒有想到，所看到的如此浩瀚宇宙竟然只是它的很小部分，大部分是沒有觀察到的暗物質和暗能量。
詭異的暗物質既不發出任何波段電磁波，也不和任何波段的光發生作用。暗物質是用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到的物質。科學家們之所以知道宇宙中存在暗物質，並不是因為真的“看見”了暗物質，完全是通過引力效應間接地感知到了它的存在。除了引力作用之外，目前還沒有發現暗物質和“常規”物質之間的任何相互作用。
宇宙中的暗物質包括各種暗物質天體和分佈廣泛的各種暗物質粒子。暗物質密切關係到宇宙的生成與演變，也許它也是我們夢寐以求的基本粒子。偵測和研究暗物質是天文學、宇宙學和天體物理學的重大前沿課題。
21 世紀的今天，現代物理學的天空中又有“兩朵烏雲”——暗物質和暗能量。揭開暗物質和暗能量這“兩朵烏雲”之謎，很可能導致下一場物理學的革命，促成人類對物質世界和宇宙認識的又一次重大飛躍。
（摘自《尋找缺失的宇宙——暗物質》，作者：李金）
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