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暗物质与暗能量在现代物理学中的意义

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：２８．宇宙中的暗物质是由什么粒子构成的？

宇宙总质量(100%)≌重子和轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%).其中暗物质和暗能量被称为21世纪现代物理学和天文学晴朗天空中的“两朵乌云”.与此相关的还有超光速和希格斯粒子等问题.美国和欧洲已分别于2006年和2008年开展了暗物质、暗能量的研究计划.2009年3月18日我国国家“973”计划项目“暗物质、暗能量的理论研究及实验预研”也在北京启动.美籍华人著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道把“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”、“暗物质问题、暗能量问题”、"类星体的发能远远超过核能，每个类星体的能量竟然是太阳能量的10¹⁵倍"、“夸克禁闭”称为是21世纪科技界所面临的四大难题.“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命.”

宇宙暗物质和暗能量是21世纪粒子物理学和宇宙学研究中的两个重大的科学问题.当代最重大问题是宇宙膨胀和暗物质暗能量之间是否有关系,这是当代所有物理学家和天文学家要解决问题.丁肇中的阿尔法磁谱仪进入太空,参加寻找暗物质实验，全世界都动员起来寻找暗物质实验.现代宇宙学观测表明宇宙中存在暗物质和暗能量.但是它们的起源仍然是个谜.我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%，各种测算方法都证实宇宙的大部分是不可见的.要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据说明，事实并非如此.正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和粒子物理学家开始合作，最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子：neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据认为这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来.

杨振宁讲：“所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的……假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话，他应该去学习天文物理学.”在新世纪之初，美国国家研究委员会发布研究报告，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题，并同时建议美国政府的研究机构加强协调，集中资源为这些难题寻找答案.这份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告，是由19位权威物理学家和天文学家联合执笔.科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重.“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”，在报告所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位.李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命.”李政道指出：“20世纪初的大问题是太阳能的来源；21世纪初的大问题是暗能量的来源”，“了解暗物质和暗能量，是人类在21世纪科学的大挑战.”李政道指出，“21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量.它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战.暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同.在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上.宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上.宇宙之外可能有很多宇宙.”李政道先生2009年访问上海交通大学，并做了“以天之语，解物之道”的精彩演讲，其中他如是谈暗物质与暗能量：宇宙的总能量中只有5%是已知物质的能量，其中95%我们都不了解，其中25%是暗物质，70%是暗能量.现在暗能量也是交大物理系研究的重点.什么叫暗物质，什么是暗能量我们不知道，但是我们知道他占据了宇宙的95%.我们现在知道的物质是由电子、质子、中子-和极少量的正电子、反质子等等构成.

李政道在《科技导报》2005年第5期上发表的专稿《在我的祖国纪念爱因斯坦》，其中关于能量，有以下四段话：“我们人类能感知到的常规物质的能量（也就是已了解部分的宇宙），只占整个宇宙能量的5%或者更小些，其它95%的能量都不是由我们现在所知的物质构成的.”“我们宇宙中的能量大多数是暗物质和暗能量，既看不见，也不知道是什么东西.暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用（核的能力场）都不起任何作用，可是，暗物质有引力场（地心吸力就是引力场）.通过引力场我们知道有暗物质存在，而且，暗物质的总能量比我们这类物质的总能量要大了5倍，或5倍以上.可是对暗物质的其它性质，我们完全不知道！”“暗能量的性质更是奇怪，它能产生一种负的压力.爱因斯坦在20世纪早期就曾假设过负压力这种性质的存在.后来，因为没有实验的支持，爱因斯坦就放弃了这一个方向.在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量有少量的差异.按照爱因斯坦的著名质能公式E=mc²，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量.而暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量！”“最近几年，通过哈勃太空望远镜，我们发现，我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在加速地膨胀.从它膨胀的加速度可以推算出，它是由于一种负压力也就是暗能量的存在才膨胀的.而这暗能量的总量占据全宇宙能量的70%.”

李政道、杨振宁观点截然不同：2005年4月18日《中国科学报》登载李政道、杨振宁的文章.李文认为广义相对论更重要的作用是在21世纪，因为要弄清暗物质、暗能量的问题，还得靠爱因斯坦的理论来指导；杨文却认为物理学的基本规律在20世纪，已全部被发现了，21世纪将是基本规律在各领域的应用.《中国科学报》登载了《我科学家挑战现代物理学“两朵乌云”》，报道由中国科学院多个研究所、上海交通大学、中国原子能科学院等多家科研单位参与的国家“973”计划项目“暗物质、暗能量的理论研究及实验预研”.认为19世纪末，经典物理学已经非常成熟，但是上空飘浮着“两朵乌云”：一是迈克尔逊-莫雷实验，一是黑体辐射实验.后来，它们却分别促使了相对论和量子论的发现，极大地推进了人类对物质世界的认识.和19世纪末相似，20世纪末的物理学上空也漂浮着“两朵乌云”，一是暗物质，一是暗能量.杨振宁先生所指出的方向，实际上全国都在努力进行20世纪物理学成果的应用.李政道先生所指出的方向，有一批人取得国家的经费支持，国内以中国科学院理论物理所等单位为主的主流理论物理学家是沿此方向前进的.希望对两种观点都能一视同仁，在基本粒子和宇宙学方面既发表主流派的意见，也发表对主流派质疑甚至反对的意见.

牛顿发现引力定律，但不知其所以然.爱因斯坦的广义相对论认为，引力是物质和能量所产生的时空弯曲.近来有迹象表明，原子等“可见物质”只占宇宙中总物质的5％，其余25％是暗物质，70％是暗能量.现有的引力理论未能解释宇宙的95％，显然这不可能是完整的理论.一些科学家提出不同的解释，其中包括具有11维时空的超弦理论.——摘自奥弗比（DennisOverbye）的文章.