《普通物理学》课程教学资源（参考资料）大爆炸模型

寻找暗物质 |[K] 当人类面对这深邃的宇宙开始思考一些问题的时候，他们就己经 开始研究宇宙的组成了。宇宙究竞是由什么组成的呢？古希腊的哲学 家泰勒斯认为万物都是水做的，而赫拉克利特则认为火是永恒的物 质。当科学的脚步己经迈入二十一世纪的今天，人们对这一问题的 答案似乎己非常确信，他们会自做地宜称一切物质都由质子、中子和 电子等基本粒子所组成。 然而，字宙中究竟存在多少种基本粒子呢？宇宙中其它地方的物 质是否与我们身边的物质具有相同的结构呢？遗憾的是，今天的科学 理论还不能给出一个满意的答案。实际上，科学家们至今还不清楚宇 宙主要是由什么物质组成的，他们一直认为字宙的主要成分是发光的 恒星，但是大量的天文观测数据显示，恒星只占宇宙总质量的很小的 一部分。因此，组成宇宙的大多数物质将是不可见的，它们被称为暗 物质。目前，对于暗物质的本质人们还知之甚少，暗物质问题己成为 当代字宙学和粒子物理学中最重要的问题。 暗物质的存在 我们知道，宇宙中存在着许多不发光的天体，诸如暗星、行星和 黑洞等，并且在星际空间还存在着大量不可见的尘埃和气体。因此， 我们看到的物质显然比字宙中实际存在的物质少。 宇宙中存在暗物质的严格证据来自于天体动力学。科学家们对宇

寻找暗物质 | [>] 当 人类 面 对这 深 邃的 宇 宙开 始 思考 一 些 问题 的 时候 ，他 们 就已 经 开始 研 究宇 宙 的组 成 了。宇 宙究 竟 是由 什 么组 成 的呢 ？ 古希 腊 的哲 学 家泰勒斯认为万物都是水做的，而赫拉克利特则认为火是永恒的物 质。当科学的脚步已经迈入二 十一世纪的今天 ， 人们 对 这一 问 题的 答案 似 乎已 非 常确 信 ，他 们 会自 傲 地宣 称 一切 物 质都 由 质子 、中子 和 电子等基本粒子所组成。 然 而，宇宙 中 究竟 存 在 多少 种 基本 粒 子呢 ？ 宇宙 中 其它 地 方的 物 质是 否 与我 们 身边 的 物质 具 有相 同 的结 构 呢 ？遗 憾 的是 ，今 天 的科 学 理论 还 不能 给 出一 个 满意 的 答案 。实际 上 ，科 学 家们 至 今还 不 清楚 宇 宙主 要 是由 什 么物 质 组成 的 ，他 们 一直 认 为宇 宙 的主 要 成分 是 发光 的 恒星 ，但是 大 量的 天 文观 测 数据 显 示，恒 星只 占 宇宙 总 质量 的 很小 的 一部 分 。因 此 ，组 成 宇宙 的 大多 数 物质 将 是不 可 见的 ，它们 被 称为 暗 物质 。目前 ，对于 暗 物质 的 本质 人 们还 知 之甚 少 ，暗 物 质问 题 已成 为 当代宇宙学和粒子物理学中最重要的问题。 暗物质的存在 我 们知 道 ，宇 宙 中存 在 着许 多 不发 光 的天 体 ，诸 如 暗星 、行星 和 黑洞 等 ，并 且 在星 际 空间 还 存在 着 大量 不 可 见的 尘 埃和 气 体。 因 此， 我们看到的物质显然比宇宙中实际存在的物质少。 宇 宙中 存 在暗 物 质的 严 格证 据 来自 于 天 体动 力 学。科学 家 们对 宇

宙中各种星系的运动情况进行了精确测量，测量结果显示几乎所有星 系中星云的运动速度都不随半径而改变。根据牛顿定律，这表明在星 系周围的空间中存在着看不见的晕，因此在整个字宙中必然存在着大 量的不可见物质或暗物质。 最近二十年来，人们对银河系中恒星的运动方式进行了更为细致 的研究，结果发现在银河系的整个银盘内恒星的运动速度仍大致相 同。这表明银河系的质量并未集中于中央，而是表现为某种平均分布。 因此，相对于聚集在银河系中央的大量发光物质，在银河系银盘的外 围必定存在更大量的暗物质。 大量的天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质，而且暗物 质还将占宇宙物质的绝大部分。暗物质问题的重要性在于，暗物质的 多少将决定字宙的命运，即我们的字宙最终将要收缩还是永远膨胀下 去。 宇宙大爆炸棋型与暴胀宇宙论 1929年，美国天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律，即星系的 红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律至今已为大量的天文观 测所证实，它清晰地表明整个宇宙正在膨胀。1948年，俄裔美籍物 理学家伽莫夫等人首次提出了宇宙大爆炸理论，这一理论认为我们的 宇宙起源于一次大爆炸。1964年，Be11实验室的射电天文学家彭齐 亚斯和威尔逊发现了大爆炸遗留下来的宇宙微波背景辐射，为宇宙大 爆炸理论提供了进一步的实验证实。今天，宇宙大爆炸理论已成为当

宙中 各 种星 系 的运 动 情况 进 行了 精 确测 量 ，测 量 结果 显 示几 乎 所有 星 系中 星 云的 运 动速 度 都不 随 半径 而 改变 。根据 牛 顿定 律 ，这 表 明在 星 系周 围 的空 间 中存 在 着看 不 见的 晕 ，因 此 在整 个 宇宙 中 必然 存 在着 大 量的不可见物质或暗物质。 最 近二 十 年来 ，人 们 对 银河 系 中恒 星 的运 动 方式 进 行了 更 为细 致 的研究，结果发现在银河系的整个银盘内恒星的运动速度仍大致相 同 。这 表 明银 河 系的 质 量并 未 集中 于 中央 ，而 是表 现 为某 种 平均 分 布。 因此 ，相对 于 聚集 在 银河 系 中央 的 大量 发 光物 质 ，在 银 河系 银 盘的 外 围必定存在更大量的暗物质。 大 量的 天 文观 测 数据 还 表明 ，宇宙 中 不仅 存 在暗 物 质，而 且暗 物 质还 将 占宇 宙 物质 的 绝大 部 分。暗 物质 问 题的 重 要性 在 于，暗 物质 的 多少 将 决定 宇 宙的 命 运，即 我们 的 宇宙 最 终将 要 收缩 还 是永 远 膨胀 下 去。 宇宙大爆炸模型与暴胀宇宙论 1929 年，美国天文 学 家哈 勃 提出 了 著 名的 哈 勃定 律 ，即 星 系的 红移 量 与它 们 离地 球 的距 离 成正 比 。这 一 定律 至 今已 为 大量 的 天文 观 测所证实，它清晰地表明整个宇宙正在膨胀。19 48 年 ， 俄裔 美 籍物 理学 家 伽莫 夫 等人 首 次提 出 了宇 宙 大爆 炸 理 论，这一 理 论认 为 我们 的 宇宙起源于一次大爆炸。 1964 年 ，Be ll 实验 室 的射 电 天文 学 家彭 齐 亚斯 和 威尔 逊 发现 了 大爆 炸 遗留 下 来的 宇 宙 微波 背 景辐 射，为 宇宙 大 爆炸 理 论提 供 了进 一 步的 实 验证 实 。今 天 ，宇 宙 大爆 炸 理论 已 成为 当

代字宙学的标准理论，它为宇宙的形成和演变提供了基本的描述，并 且在预言微波背景辐射的存在以及化学元素的相对丰度等方面取得 了巨大的成功。 二十世纪七十年代以来，物理学家古斯和林德等人又进一步提出 了暴胀宇宙论，认为在宇宙早期还存在一个急速膨胀的过程。暴胀字 宙论可以很好地解决宇宙中物质分布的均匀性以及宇宙膨胀速度的 各向同性等问题。此外，暴胀宇宙论还有一个惊人的预言，即宇宙的 总质量应接近于宇宙临界质量，从而约为目前观测到的宇宙质量的十 倍。因此，我们目前的宇宙学理论同样预言了暗物质的存在，并且认 为宇宙中绝大多数的物质应当是暗物质。 暗物质的可能形态 对于暗物质的可能形态，科学家们提出了不同的理论模型，其中 被普遍接受的暗物质模型是MDM模型。MD模型基于三个重要的科学 事实和思想，即字宙膨胀观测事实、大爆炸核合成理论和基本粒子的 相互作用理论，它认为宇宙是由冷暗物质和热暗物质的混合体构成的 2,其中大部分物质以冷暗物质的形态存在，即由大爆炸早期残留下 来的缓慢运动的基本粒子所组成。一些关于字宙大尺度星系形成的M onte Carlo模拟指出，暗物质的最佳组成方式是：热暗物质约占暗 物质总量的四分之一，而冷暗物质约占暗物质总量的四分之三。 目前，科学家们己经给出了一些组成暗物质的可能粒子。 (1)重子

代宇 宙 学的 标 准理 论 ，它 为 宇宙 的 形成 和 演变 提 供了 基 本的 描 述，并 且在预言微波背景辐射的存在以及化学元素的相对丰度等方面取得 了巨大的成功。 二 十世 纪 七十 年 代以 来 ，物 理 学家 古 斯和 林 德等 人 又进 一 步提 出 了暴 胀 宇宙 论 ，认 为 在宇 宙 早期 还 存在 一 个急 速 膨胀 的 过程 。暴胀 宇 宙论可以很好地解决宇宙中物质分布的均匀性以及宇宙膨胀速度的 各向 同 性等 问 题。此 外，暴 胀宇 宙 论还 有 一个 惊 人的 预 言，即 宇宙 的 总质 量 应接 近 于宇 宙 临界 质 量，从 而约 为 目前 观 测到 的 宇宙 质 量的 十 倍。因 此，我 们目 前 的宇 宙 学理 论 同样 预 言了 暗 物质 的 存在 ，并且 认 为宇宙中绝大多数的物质 应 当是 暗 物质 。 暗物质的可能形态 对 于暗 物 质的 可 能形 态 ，科 学 家们 提 出了 不 同的 理 论模 型 ，其 中 被普 遍 接受 的 暗物 质 模型 是 MDM 模型。M DM 模 型 基于 三 个重 要 的科 学 事实 和 思想 ，即宇 宙 膨胀 观 测事 实 、大 爆 炸核 合 成理 论 和基 本 粒子 的 相互 作 用理 论，它 认为 宇 宙 是由 冷 暗物 质 和热 暗 物质 的 混合 体 构成 的 2，其中大部分物 质以 冷 暗物 质 的形 态 存 在， 即 由大 爆 炸早 期 残留 下 来的 缓 慢运 动 的基 本 粒子 所 组成 。一 些 关于 宇 宙大 尺 度星 系 形成 的 M onte Carlo 模拟指出，暗 物 质的 最 佳组 成 方 式是 ： 热暗 物 质约 占 暗 物质总量的四分之一，而冷暗物质约占暗物 质总 量 的四 分 之三 。 目前，科学家们 已经 给 出了 一 些组 成 暗 物质 的 可能 粒 子。 (1)重 子

一般认为，暗物质可能以较为常见的形式存在，例如行星尺度的 物质和暗恒星等。根据大爆炸核合成理论和目前观测到的元素丰度数 据可以知道，尽管宇宙中的重子密度小于宇宙物质密度，但却远大于 发光物质密度。这表明，尽管暗物质不可能完全由重子组成，但重子 物质及其组成的暗天体应当是暗物质的组成部分之一。 一种由重子暗物质组成的可能天体是褐矮星，它们一般也被称为 重质量致密晕体(MACHO)。根据爱因斯坦的广义相对论，这种暗天体 可以通过引力透镜现象来寻找。最近，天文学家己经找到了这种星体 的几个候选者。 (2)中微子 根据宇宙大爆炸理论，大爆炸不仅是目前可见物质的本源，也是 不可见物质，即暗物质的本源。大爆炸残骸中除了人们熟悉的质子、 中子和电子以外，最主要的粒子就是中微子。由于中微子是稳定的， 并且不与光子发生相互作用，因此整个字宙应当充满大爆炸所产生的 大量的中微子，并且它们是暗物质的一部分。 利用宇宙标准模型人们可以计算出目前中微子的数量，结果是每 立方分米内约存在10亿个中微子。这的确令人吃惊，譬如说，在你 的身体中每一时刻都存在大约1000亿个中微子。然而，由于中微子 的质量非常小，或许为零3，它们作为暗物质对字宙密度的贡献可能 很小。 (3)轴子(Axions) 轴子是人们为了解决强电荷一宇称(CP)问题而引进的一种假想

一 般认 为 ，暗 物 质可 能 以较 为 常见 的 形式 存 在，例 如行 星 尺度 的 物质 和 暗恒 星 等。根据 大 爆 炸核 合 成理 论 和目 前 观测 到 的元 素 丰度 数 据可 以 知道 ，尽管 宇 宙中 的 重子 密 度小 于 宇宙 物 质密 度 ，但 却 远大 于 发光 物 质密 度 。这 表 明，尽 管暗 物 质不 可 能完 全 由重 子 组成 ，但重 子 物质及其组成的暗天体应当是暗物质的组成部分之一。 一 种由 重 子暗 物 质组 成 的可 能 天体 是 褐 矮星 ，它 们 一般 也 被称 为 重质量致密晕体(M ACH O)。根 据 爱因 斯 坦 的广 义 相对 论 ，这 种 暗天 体 可以 通 过引 力 透镜 现 象来 寻 找。最 近，天 文学 家 已经 找 到了 这 种星 体 的几个候选者。 (2)中微子 根 据宇 宙 大爆 炸 理论 ，大爆 炸 不仅 是 目前 可 见物 质 的本 源 ，也 是 不可 见 物质 ， 即暗 物 质的 本 源。 大 爆炸 残 骸 中除 了 人们 熟 悉的 质 子、 中子 和 电子 以 外， 最 主要 的 粒子 就 是中 微 子 。由 于 中微 子 是稳 定 的， 并且 不 与光 子 发生 相 互作 用 ，因 此 整个 宇 宙应 当 充满 大 爆炸 所 产生 的 大量的中微子，并且它们是暗物质的一部分。 利 用宇 宙 标准 模 型人 们 可以 计 算出 目 前 中微 子 的数 量，结 果是 每 立方分米内约存在 10 亿 个中 微 子。 这 的 确令 人 吃惊 ， 譬如 说 ，在 你 的身体中每一时刻都存在大约 1000 亿 个 中微 子 。然 而 ，由 于 中微 子 的质 量 非常 小 ，或许 为零 3，它 们 作为 暗 物质 对 宇宙 密 度的 贡 献可 能 很小。 (3)轴 子 ( A xi ons ) 轴子是人们为了 解决 强 电荷 － 宇称 (C P)问题 而 引进 的 一种 假 想

的玻色子。理论上，轴子的质量可以为任何值，但一些高能物理实验 已显示轴子如果存在，它的质量也是很小的。因此，轴子对暗物质的 贡献也可能很小。 (4)弱相互作用重粒子(WIMP) 目前最有希望的暗物质候选者是超对称理论所预言的具有超对 称特性的一类粒子，其中最稳定的是一种中性、重质量的弱相互作用 粒子，人们通常称它为弱相互作用重粒子，即WIMP。为了解决早期 字宙的热力学平衡问题，宇宙大爆炸理论也要求存在一种稳定的、弱 相互作用量级的重质量粒子，这种粒子会在宇宙演化的某一时刻从热 力学平衡中遗留下来，从而在宇宙中保持一定的丰度。因此，寻找W IMP已成为当代实验物理学中一个十分重要的问题。 超对称标准模型 20世纪70年代以来，弱电统一理论和量子色动力学己经为大部 分高能物理实验所证实，它们结合在一起被称为粒子物理的标准模 型。然而，标准模型只是一个唯象的理论，它仍存在许多问题，如理 论中存在太多的自由参数、电荷不能被量子化以及等级问题等等，其 中前两个问题可以通过引进弱、电、强的大统一而得到解决，而等级 问题则与希格斯(Higgs)粒子的存在有关，它要求引进一种新的对称 性一一超对称

的玻 色 子。理 论上 ，轴子 的 质量 可 以为 任 何值 ，但一 些 高能 物 理实 验 已显 示 轴子 如 果存 在 ，它 的 质量 也 是很 小 的。因 此，轴 子对 暗 物质 的 贡献也可能很小。 (4)弱相互作用重粒子( WI MP) 目前最有希望的 暗物 质 候选 者 是超 对 称 理论 所 预言 的 具有 超 对 称特 性 的一 类 粒子 ，其中 最 稳定 的 是一 种 中性 、重质 量 的弱 相 互作 用 粒子，人们通常称它为弱相互作用重粒子，即 WIM P。 为 了解 决 早期 宇宙 的 热力 学 平衡 问 题，宇 宙大 爆 炸理 论 也要 求 存在 一 种稳 定 的、弱 相互 作 用量 级 的重 质 量粒 子 ，这 种 粒子 会 在宇 宙 演化 的 某一 时 刻从 热 力学 平 衡中 遗 留下 来 ，从 而在 宇 宙中 保 持一 定 的丰 度 。因 此 ，寻 找 W IMP 已成为当代实验 物 理学 中 一个 十 分重 要 的 问题 。 超对称标准模型 20 世 纪 70 年代 以 来 ，弱电 统 一理 论 和量 子 色动 力 学已 经 为大 部 分高能物理实验所证实，它们结合在一起被称为粒子物理的标准模 型 。然 而 ，标 准模 型 只是 一 个唯 象 的理 论 ，它仍 存 在 许多 问 题 ，如 理 论中 存 在太 多 的自 由 参数 、电荷 不 能被 量 子化 以 及等 级 问题 等 等，其 中前 两 个问 题 可以 通 过引 进 弱、电 、强 的 大统 一 而得 到 解决 ，而等 级 问题则与希格斯(H igg s)粒子 的 存在 有 关 ，它 要 求引 进 一种 新 的对 称 性——超对称

近十几年来，粒子物理学家们提出了许多种大统一理论方案，其 中最小超对称标准模型被认为是极有希望的。根据这一模型，宇宙中 将存在一种中性的稳定粒子，它的质量下限约为50G®V(即约为质子 质量的55倍)，并且这种粒子所引起的物理现象有可能在宇宙线实 验中被观测到。实际上，一些实验已经发现在宇宙线中可能存在这种 长寿命、重质量、中性的弱相互作用粒子，例如，1972年的云南站 实验，1979年的Kolar实验和其它一些实验已经观测到了一批奇异 的粒子衰变事例，它们提供了这种粒子存在的迹象。 TIMP的实验探测 由于WIMP可以几乎不留痕迹地通过其它物质，因此探测它是十 分困难的。一种方法是间接法，它通过探测正反WIMP湮灭所产生的 次级粒子来间接检测WIMP的存在，实验上可利用地下大型的中微子 探测器或空间磁谱仪等规模大、接收灵敏度高的设备来完成：另一种 方法是通过WIP与普通物质的相互作用来直接检测它的存在。尽管 这种相互作用很弱，但由于IMP具有较大的质量，人们仍然可以探 测到一个WIMP与原子核相撞时所发出的声音，即检测到由WIMP所引 起的原子核的反冲。实验仪器可以由放在致冷系统中的硅晶体或其它 品体组成，当一个WIMP和一个原子核发生碰撞时，它对原子核的冲 击会产生晶体振动，这种振动或声波在向外传播时转变为热能而衰减 下来。实验人员可以通过检测这种碰撞所导致的极小的热脉冲来检验

近 十几 年 来，粒 子物 理 学家 们 提出 了 许多 种 大统 一 理论 方 案，其 中最 小 超对 称 标准 模 型被 认 为是 极 有希 望 的。根 据这 一 模型 ，宇宙 中 将存 在 一种 中 性的 稳 定粒 子 ，它的 质 量下 限 约为 5 0Ge V（即 约 为质 子 质量的 55 倍），并且 这 种粒 子 所引 起 的 物理 现 象有 可 能在 宇 宙线 实 验中 被 观测 到 。实 际 上，一 些实 验 已经 发 现在 宇 宙线 中 可能 存 在这 种 长寿命、重质量、中性的弱相互作用粒子，例如，1 972 年的 云 南站 实验，1979 年的 Kolar 实 验和 其 它一 些 实 验已 经 观测 到 了一 批 奇异 的粒子衰变事例，它们提供了这种粒子存在的迹象。 WIMP 的实验探测 由于 WIMP 可以几乎 不留 痕 迹地 通 过 其它 物 质， 因 此探 测 它是 十 分困难的。一种方法是间接法，它通过探测正反 W IMP 湮灭 所 产生 的 次级粒子来间接检测 WI MP 的 存 在， 实 验 上可 利 用地 下 大型 的 中微 子 探测 器 或空 间 磁谱 仪 等规 模 大、接 收灵 敏 度高 的 设备 来 完成 ；另一 种 方法是通过 WIMP 与普 通 物质 的 相互 作 用 来直 接 检测 它 的存 在 。尽 管 这种相互作用很弱，但由于 WI MP 具 有 较 大的 质 量， 人 们仍 然 可以 探 测到 一个 WIMP 与 原子 核 相撞 时 所发 出 的 声音 ，即 检 测到 由 WI MP 所 引 起的 原 子核 的 反冲 。实 验 仪 器可 以 由放 在 致冷 系 统中 的 硅晶 体 或其 它 晶体组成，当一个 W IMP 和一 个 原子 核 发 生碰 撞 时， 它 对原 子 核的 冲 击会 产 生晶 体 振动 ，这 种 振 动或 声 波在 向 外传 播 时转 变 为热 能 而衰 减 下来 。实 验 人员 可 以通 过 检 测这 种 碰撞 所 导致 的 极小 的 热脉 冲 来检 验

WIMP的存在。 世界各国的科学家们一直在努力寻找WIMP的踪影。最近，意大 利的一个实验小组经过近三年的观测后，己经得到了能够证实WIMP 存在的初步证据，并且估计出这种WIMP的质量至少是质子质量的50 倍。这个科研小组由意大利罗马大学和中国科学院高能物理研究所的 研究人员共同组成，他们利用放射性很低的碘化钠晶体阵列来直接探 测WIMP,同时将实验设备安装在岩层厚度达1000米的山洞中，以屏 蔽宇宙射线的干扰。 一旦WIMP的存在得到最终的实验证实，将不仅为宇宙大爆炸理 论和超对称粒子物理模型提供新的实验支持，同时也将为我们宇宙的 未来命运提供一个满意的答案。因此，我国科学家己经准备在这一方 向上开展进一步的实验工作。日前，在国家自然科学基金的支持下， 我国己经成立了探测WIMP的科研小组，预计在3年内可以对WIMP的 存在问题给出一个确切的答案

WIMP 的存在。 世界各国的科学 家们 一 直在 努 力寻 找 W IMP 的踪 影 。最 近 ，意 大 利的一个实验小组经 过近 三 年的 观 测后 ， 已 经得 到 了能 够 证实 W IMP 存在 的 初步 证 据 ，并 且 估 计出 这种 WIMP 的 质量 至 少是 质 子质 量的 50 倍。这个 科 研小 组 由意 大 利 罗马 大 学和 中 国科 学 院高 能 物理 研 究所 的 研究 人 员共 同 组成 ，他 们 利 用放 射 性很 低 的碘 化 钠晶 体 阵列 来 直接 探 测 WIM P，同 时 将实 验 设备 安 装在 岩 层厚 度达 1000 米 的山 洞 中 ，以 屏 蔽宇宙射线的干扰。 一旦 WIMP 的存在得 到最 终 的实 验 证 实， 将 不仅 为 宇宙 大 爆炸 理 论和 超 对称 粒 子物 理 模型 提 供新 的 实验 支 持，同 时也 将 为我 们 宇宙 的 未来 命 运提 供 一个 满 意的 答 案。因 此，我 国科 学 家已 经 准备 在 这一 方 向上 开 展进 一 步的 实 验工 作 。日 前 ，在 国 家 自然 科 学基 金 的支 持 下， 我国 已 经成 立 了探 测 WI MP 的 科 研小 组 ，预 计在 3 年 内可 以对 WIMP 的 存在问题给出一个确切的答案