第277章 暗物質的歷史

主編的話其實外行了，尋找暗物質不一定需要新的理論，依照現在已有的理論也有可能發現暗物質，甚至有可能在試驗中發現沒有任何理論預言過的暗物質；如果是這樣前一種情況提出理論的人獲獎，後一種情況發現的人獲獎；呂丘建之所以提出新理論，除了這種理論的確可行之外，還想讓自己獲獎的理由更紮實一些！

既然暗物質是無法被看到的，那麽物理屆是怎麽發現它的存在的呢？或者說物理學家們為什麽要假設存在暗物質呢？

這就要從物理學家的工作習慣說起，數學家們現提出一些不證自明的假設，諸如兩點之間直線最短之類，然後由這些不證自明的公理推導出龐大的數學體系；而物理學家則是先提出假設，先用著再說，如果這種假設能夠自洽、並在測量精度上符合已知現象並能做出合理預言，那麽它就是正確的。

物理學是具有可證偽性的。對於任何一個物理理論，我們都有可能設計某種實驗將其證偽；現在我們接受某種物理理論，並不是說它被證明了、而是沒有被任何實驗證偽。如果它被實驗證明是錯誤的，那麽它就是錯誤的，如果不能被證明錯誤，那麽就接著用吧！比如伽利略的兩個鐵球試驗就證明了亞裏士多德的理論是錯誤的。

暗物質的出現要追朔到愛因斯坦的理論，愛因斯坦認為宇宙的形狀取決於宇宙質量的多少。他認為：宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5X10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質“失蹤”了。科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。

之後的近一百年時間裏，許許多多物理學家、天文學家通過不同的渠道找到了暗物質存在的證據，1933年。美國加州工學院的瑞士天文學家弗裏茲·紮維奇發現一個星系團中的星系速度比預期的要大，根據牛頓萬有引力定律。意味著星系之間還有許沒有被觀測到的物質。

根據他的推斷星系團的質量比從星系團中發光星體推斷出來的質量大了400倍，並首次提出了“暗物質”的概念，但這一觀點在當時並未受到重視。

直到1970年，女科學家魯賓和她的同時福特終於找到了令人信服的證據，他們通過對仙女座大星雲星體旋轉曲線的研究，發現了一個奇特的現象；根據牛頓萬有引力定律，如果一個星系的質量主要集中在星系核心，那麽星系外圍的星體運行的速度將隨著距離的增大而減小。但是從他們觀測到的結果相當大的範圍內星系外圍星體運行的速度是恒定的！

於是他們得出了和紮維奇相似的結論，要麽是牛頓萬有引力定律不正確，要麽星系非核心區域分布著許多沒有被觀測到的物質；由於牛頓萬有引力定律尚未被證偽，所以暗物質就成了唯一的解釋。

接著許多類似的天文現象被觀測到，因此暗物質的存在理論被廣泛認同，但是直到如今物理屆也沒有建立起一個可靠地暗物質模型，也沒有真正找到暗物質。

暗物質的存在對粒子物理理論提出了新的挑戰，在溫伯格提出的標準模型中只有中微子可能是暗物質，但研究表明中微子無法成為宇宙中暗物質的主要組成部分。所以暗物質要求有超出標準模型的新物理模型。

物理學家們也提出了諸如最小超對稱模型、額外維度模型、小希格斯模型等多種模型，但都沒有辦法獲得確鑿的實驗證據。

由於暗物質不參與電磁反應的特性。所以很難用天文望遠鏡直接觀測，所以物理學家們設計了三種不同的觀測方式進行探索，分別是加速器觀測、間接觀測和直接觀測。

加速器觀測就是利用LHC進行粒子對撞。將暗物質創造出來，然後根據暗物質粒子帶走的能量和分布來推測暗物質的性質。

間接觀測就是觀測暗物質粒子衰變後產生的穩定可見粒子，並根據這些線索逆推暗物質的屬性。

直接觀測則是在極深的地下建立起可以屏蔽絕大多數地面幹擾信號的觀測室，探測暗物質粒子和探測器中的物質原子核所產生的信號。這也是目前最可行的探索方式之一。但這種方式對呂丘建來說有些麻煩。

要探索到暗物質，必須要有極深的地下試驗室，而現在無論是米國南達科他州布萊克山霍姆斯特克金礦地下2438米的地下科學實驗室，還是比這更深的華國錦屏極深地下暗物質實驗室都還只存在於圖紙上，距離投入使用還有相當長的時間，他可沒那個時間等待這兩項大工程完成。而現有的意大利GRAN-SASSO地下試驗室等達不到他的要求。

所以LHC的加速器探索就成了他目前唯一的選擇。這也是之前他竭盡全力發現新的數據分析方法、幫助CERN調整試驗計劃的目的。