寻找缺失的宇宙——暗物质 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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他是有故事的人。作者李金，中国科学院高能所研究员，清华大学客座教授。他可以告诉你暗物质的前世今生。他的故事中*精彩的篇章是关于一个世界上*深的地下暗物质探测实验室。那是一个位于四川省锦屏山2400米花岗岩下面的一个不大的空间，却是中国*一个用于开展国际前沿基础研究课题的地下实验室。当然，有很多人期待不久的将来，在这里能够获得世界暗物质领域的尖端成果。
它暗藏在宇宙中。暗物质，既不发光，也不和光发生作用，不仅在没有光的黑暗中看不到它，即使是在有光线的环境中也完全透明而同样看不到它。正是这种不发光又绝对透明、在任何环境下都无法看到却又有质量的物质，像谜一样吸引着众多的探秘者，人们正在根据各种观测现象对它做出各种推测和研究。目的就是要找到它——暗物质。
迄今为止的研究认为，暗物质是宇宙的重要组成部分，它密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它代表了宇宙中96%的物质存在。如果不能找出它来，我们的宇宙就仿佛缺失了一大块。为此，很多科学家穷尽各种办法，一定要设法发现它、找出它，甚至为此上天入地......

内容简介

　　从20世纪40年代提出暗物质概念以来，宇宙观察中发现的很多引力现象都表明宇宙中隐藏了大量的暗物质，其质量约占宇宙物质总质量的85%。除了引力外，难道真的没有其他办法“看”到它了吗？为此，从20世纪末就开始了一场侦测暗物质的大战。由被动到主动，从地下到水下，从高空到太空的侦测活动不断。科学家们采用了所能想到的各种探测手段，使用了各种可能的辨别或判断暗物质的分析方法，想尽快揭示出深藏在宇宙中的秘密，将暗藏在宇宙中的物质大白于天下。暗物质和暗能量被认为是21世纪物理天空中的两朵乌云。揭开这两朵乌云的面纱将会对宇宙、对物质世界的认识带来革命性的突破。我国也不例外，为探知暗物质建立了世界*深的地下实验室，开展了直接寻找暗物质碰撞的实验，发射了专门探测暗物质的卫星，进展异常迅速，举世瞩目。

　　本书旨在向读者深入浅出、图文并茂地介绍有关“暗物质”的基本知识，了解暗物质的来由、侦测暗物质的方法和手段及其艰苦历程，也展望了暗物质侦测的前景。

作者简介

作者李金，1964年毕业于中国科学技术大学，曾任中科院高能所总师，研究室主任，BES国际合作发言人。曾以访问学者或客座教授身份在美国，日本，英国，法国，台湾等从事高能物理研究工作。近十几年为清华大学客座教授。50多年来从事核反应研究；核爆炸辐射测量；核探测技术研究；高能粒子对撞机谱仪BES的研制，建造和升级；正负电子对撞物理实验研究；近20年从事中微子和暗物质实验等前沿课题研究。曾获科学院重大科研奖和自然科学一等奖、国家自然科学二等奖、国家科学技术进步二等奖、中国物理学会“吴有训物理奖”、 获国家政府津和国家“中青年有突出贡献专家”称号。曾发表科学论文和科普文章300余篇，编写了清华大学研究生讲义（现代辐射物理与探测），与他人合著科学书籍（ 北京谱仪正负电子物理，北京谱仪II正负电子物理）等。现任中国物理C”Chinese Physics C”刊物的科学编委。

目录

第1章.诡秘暗物质的由来
1.1.什么是暗物质？/5
1.2.诡异的暗物质真的存在吗？/12
1.3.可能的暗物质/26
1.4.为什么要探寻和研究暗物质/30

第2章.暗物质的侦测方略
2.1.暗物质粒子的基本性质/45
2.2.暗物质粒子的侦测方略/49
2.3.暗物质粒子WIMP的直接探测/56
2.4.暗物质粒子WIMP的间接探测/72
2.5.人工产生暗物质粒子/79

第3章.侦测行动前赴后继
3.1.寻找碰撞的直接侦测/88
3.2.寻找湮灭的间接侦测/115
3.3.人工产生暗物质的尝试/131

第4章.找到暗物质粒子了吗？
4.1.实验证据的表述/142
4.2.暗物质粒子的迹象或证据/144
4.3.没有看到任何“暗物质痕迹”/156
4.4.目前还很难回答的问题/165
4.5.展望未来/169

第5章.在世界最深的地下寻找暗物质
5.1.最深的地下物理实验室——中国锦屏地下实验室（CJPL）/185
5.2.CJPL开展的两个直接探测暗物质的实验/204
5.3.中国锦屏地下实验室的未来发展——CJPL-Ⅱ /214
后语/223
参考文献/225
图片来源/232

精彩书摘

　　1.1什么是暗物质？

　　“暗”的广泛含义

　　历史上的“暗”物质事件

　　1.2诡异的暗物质真的存在吗？

　　不好理解的旋转曲线

　　星体光被严重弯曲

　　奇特的大尺度星系团

　　子弹星系团的碰撞

　　宇宙中有多少暗物质？

　　1.3可能的暗物质

　　暗物质天体

　　暗物质粒子

　　特别关注的WIMP粒子

　　1.4为什么要探寻和研究暗物质

　　暗物质密切关系到宇宙的生成与演变

　　梦寐以求的基本粒子

　　小结

　　寻找缺失的宇宙——暗物质

　　2

　　出于求知欲和好奇心，千百年来人类从未间断对天文和宇宙的观察与探求，从地面到高山，从高空到太空，从地下到海底。特别是近几十年来，近百个不同类型的观测设备被发射升空，实现了人类对宇宙的全方位和全波段的观察。图1.0.1列出了在地面、空中和太空观察宇宙的各类望远镜及其相应的探测波段。特别是1990年由太空航天飞机发射升空的高分辨率哈勃望远镜（见图1.0.2），它拍摄的照片和提供的信息为我们释疑了很多宇宙疑团，让我们进入到宇宙观测的新高峰，宇宙观测的新时期。我们不仅认识了距我们最近的地球、月球、太阳和银河系，我们还知道了类星体、超新星和脉冲星..也看到了非常遥远的星系、星云、星系团..观测范围几乎要到达约150亿光年1甚至更远的宇宙边缘。利用不同波段光的观察可以绘制出不同类型的宇宙（即不同波段的宇宙）：可见光宇宙、红外宇宙、紫外宇宙、射电及微波宇宙、X射线及高能宇宙。放眼多波段宇宙，可以将丰富多彩的宇宙层层剥开，探索到包括恒星、星云和星系的宇宙的每个层次。

　　今天，我们已经信心满满地观察到几乎所有不同波段的宇宙，可以说是一览无遗地“看”到了整个宇宙。但万万没想到，随着宇宙观测和天文学的发展，我们意识到我们所看到的浩瀚宇宙竟然只是宇宙很小的一部分，大部分是没有观察到的暗物质和暗能量。

　　1光年是距离的单位，1光年是光在1年中走的距离。光在1秒中走的距离是30万千米，一年有3153万秒之多，1光年约为9.4亿千米。

　　1/诡秘暗物质的由来

　　3

　　哈勃伊巴谷斯必泽钱德拉可见光伽马射线X射线紫外红外微波射电IUEIntegralWMAPSOHOGALEXXMM-牛顿0.1pm1pm10pm100pm1nm10nm100nm1mm10mm100mm1mm1cm10cm1m

　　图1.0.1观察宇宙的望远镜及相应的波段

　　图中的望远镜依次为：

　　微波各向异性探测器（TheWilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe，WMAP）；

　　斯必泽红外天文空间望远镜（SpitzerSpaceTelescope）；

　　哈勃太空望远镜（HubbleSpaceTelescope）；

　　伊巴谷（Hipparcos）高精度视差采集卫星；

　　太阳和太阳风层探测器（TheSolarandHeliosphericObservatory，SOHO)；

　　国际紫外探测器（TheInternationalUltravioletExplorer，IUE)；

　　轨道运行的紫外望远镜（TheGalaxyEvolutionExplorer，GALEX）；

　　钱德拉X射线观察站（ChandraX-rayObservator）；

　　X射线空间观察站（HighThroughputX-raySpectroscopyMissionandtheX-rayMulti-MirrorMission）；

　　伽马射线空间望远镜（InternationalGamma-RayAstrophysicsLaboratory，INTEGRAL）。

　　图1.0.2太空中的哈勃望远镜

　　1.1

　　什么是暗物质？

　　我们知道宇宙中有两类天体：一类是像太阳那样的发光的天体，在没有光的环境中能被我们看到；另一类像月亮那样，虽然不发光却可以反射或吸收光，在有光照的环境中也能被我们看到。但是人们发现，还有一类很诡异的物质暗藏在宇宙中。它既不发光，也不和光发生吸收、反射或折射等作用，不仅在没有光的黑暗中看不到它，在有光线的环境中也完全透明，同样看不到它。这种不发光又绝对透明，在任何环境下都无法看到却又有质量的物质，被称为暗物质，即暗藏在宇宙中的物质。

　　当然，这里说的“光”不仅仅是指可见光，而是包括几乎所有波段的“光”；这里说的“看”也不仅仅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的现代望远镜或探测器的观察。因此，在暗物质的研究中，“暗”具有更为广泛的含义。

　　“暗”的广泛含义

　　“暗”的广泛含义是什么？更广泛意义的“暗”是基于更广泛意义的“光”。光是什么？光实质上是电磁波。科学家通常依据波长把光（或称电磁波）划分为7个区段：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外

　　线、X射线和伽马射线。图1.1.1给出各种电磁波的波段及其相应波长。天文和宇宙科学借助于各种电磁波天文望远镜实现了对宇宙中天体的观测。今天的天文观测几乎涵盖了所有波段的电磁波。但是，不同探测设备对各波段“光”的响应不同，看到的图像也不同。图1.1.2所示为借助可见光与X光看到的世界和人，可见光只能看到表面，而X射线可以看到内部。同样，我们借助红外光、紫外光和X射线分别看到了不同的宇宙。图1.1.3所示为同一星系在不同波段（射电、红外、可见光、紫外及X射线）下的图像。

　　Λω来自不同温度可见光10-1210-910-610-311031061021101810151012109106103电磁光谱γ-射线X-射线紫外红外微波无线电波

　　图1.1.1电磁波各波段的波长

　　（a）（b）

　　图1.1.2用可见光与X光观测到的世界和人（a）可见光；（b）X光

　　图1.1.3同一星系在不同波段（射电、红外、可见光、紫外及X射线）下的图像

　　由物理规律可知：①任何物体的温度都不可能低于热力学温标的零度（相当于摄氏-273℃，用K表示）；②任何高于热力学温标零度的物体都一定会有电磁波（或称光波）辐射发出，只是辐射波长有所不同而已。这两点告诉我们，宇宙中的任何物质都会有电磁波辐射。此外，物体还会与电磁波发生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我们能灵敏地测量到所有波段的辐射光，宇宙中的任何物质都逃不出我们的观察。图1.1.4（a）给出不同温度的天体所发出的光波波长及其对应的亮度。图1.1.4（b）给出不同天体所辐射电磁波的波长与其相应亮度。不难看出，尘埃、恒星及黑洞，无一不在我们所能观察到的波长范围内。可以说，不论是从表面发出的还是从星球内部发出的任何波段的“光”均逃不过人类的“火眼金睛”，人类已经可以全波段全方位地观察整个宇宙。

　　然而不幸的是，诡异的暗物质既不发出任何波段的电磁波，也不和任何波段的光发生作用，它深深地隐藏在宇宙之中。暗物质是用任何波段的探测器或望远镜都无法观察到的物质。构成暗物质的基础粒子应该是暗物质粒子，大量暗物质聚集也可能形成暗物质天体。

　　这里要注意，首先，暗物质不是我们通常讲的黑物质，普通黑物质因为能够吸收可见光而呈黑色，并非与可见光不发生作用。有人将寻找暗物质比喻成“在各种彩色豆中寻找黑豆”是不够恰当的。其次，暗物质也不是黑暗中的物质。我们看不到黑暗中的物质是因为没有光线，只

……

前言/序言

　　人类借助于各种波段的电磁波，从极其短波长X射线、紫外线，到可见光，再到无线电波来观察和认识宇宙。然而，有一些物质既不发射任何波段的电磁波，也不与这些电磁波发生作用。这些用任何波段电磁波都“看”不见而又暗藏在宇宙中的物质，称为暗物质。

　　大约在80年前，费里茨·兹威基惊奇地发现，大型星系团内的星系具有极高而又难以理解的运动速度，单靠我们观测到的星系团的引力作用根本不可能束缚住这些星系在星系团内的高速运动，除非在星系团中还有“看不见”的物质产生强大引力。此后，天文学家依据螺旋星系旋转速度的测量、引力透镜的观测、大尺度宇宙结构形状以及微波背景辐射等研究中的“奇特”现象，大胆地猜想，宇宙中可能暗藏有大量“看不见”却又能通过引力作用而被感知的暗物质，而且占的比例很大（据计算约占整个宇宙物质总量的85%）。

　　暗物质到底是什么？它为什么那么诡异？它暗藏在宇宙中什么地方？它在宇宙的形成和演化中扮演什么角色？是暗物质天体还是暗物质粒子？它们是否是我们已经知道的基本粒子，还是未曾发现的粒子？这些问题都对目前人们已经构造的天体理论和基本粒子模型理论提出严重挑战。

　　暗物质的侦测与研究具有跨学科的重大科学意义，它关系到我们对微观基本粒子和宏观宇宙的构成、宇宙的演化以及基本相互作用的认知，是从微观到宏观直至宇观的重大前沿课题。

　　然而，到目前为止，暗物质还只是基于天文宇宙观察到的引力效应推测出来的大胆猜想，并没有真正直接实验侦测到它的存在。要想真正侦测到“看不见”的暗物质，即找到暗物质与普通物质之间所有的相互作用关系，就必须发展新的探测原理和新的探测技术，就必须在物理概念和理论上有所突破。

　　本书在介绍暗物质的来由、宇宙中隐藏有暗物质的依据、侦测和研究暗物质的科学意义的基础上，着重描述侦测诡异暗物质粒子的实验方略，探测暗物质的基本原理和技术，前赴后继的侦测活动和所采用的庞大而又复杂的探测装置或设备，实验探测研究的进展、最新研究状况以及未来的前景，并特别介绍了在我国锦屏大山中建设的世界上最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室和我国正在进行的暗物质探测研究。

　　这是一本通俗科普读物，没有过多的理论或定量的说明，也没有数学推导或分析表达式，采用了尽量多的图表或照片，以便于一般读者的阅读。希望这本读物有助于读者对暗物质的基本概念略有理解，增加对侦测暗物质的真正含义、实验方法和重大意义的认识，并能概括了解国内外侦测暗物质的实验研究现状和未来发展前景。

　　2016年5月

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