从20世纪30年代至今,科学界从未停止对暗物质的探索。那么,什么是暗物质?找到它难在哪里?探索它又有何意义?2015年12月17日,由中国科学院总体研发的我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,它的一个使命就是寻找暗物质存在的证据。
一般情况下,凭借肉眼或借助工具就能看到普通物质,但暗物质是个例外。天文学家茨威基研究发现:在星系团中,看得见的星系占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。这一结论意味着星系团中有某种神秘物质被人忽略。
在当时,多数人并不认同茨威基的观点。不过,后来的宇宙观测结果越来越验证这一观点的可信性。因为按照万有引力原理,物体围绕中心旋转,越往外转动速度越低。但20世纪70年代,科学家在观测宇宙一些星系中的恒星运行速度时发现,往外看,围绕中心的速度并不都是衰减下去,有些和内圈恒星的速度差不多。理论上讲,越往外,物质越少,引力越小,速度也应该越低。科学家由此推测:外圈的那些能被直接观测到的、数出来的星星数目变少了,但其实内部的物质数量并没有减少,引力也没有变小,只不过没被观测到而已。这些天文观测直接看不到的物质被称为暗物质。
“虽然我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质,但我们却发现了由于这种物质的引力作用对于其他可见的物质运动影响,这是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”中科院高能物理所研究员毕效军说。
暗物质的物理组成到底是什么?毕效军说,通常认为暗物质是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。与通常物质一样,暗物质也有引力作用。根据引力效应,天文学家估算,宇宙由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成。这些看不见的“大多数”就像披上了隐形衣一样,使长期以来在宇宙中占比最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的,至今仅知道它们存在,还不清楚它们的性质。
暗物质如何产生?毕效军认为,和普通物质一样,暗物质应该也来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻,宇宙温度非常高,粒子能量非常强,它们剧烈碰撞,在这种相互作用下,包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。
为了解暗物质这种存在于宇宙的隐身神秘“居民”,科学家做出了一些基于假设的理论模型,但物理学界渴望有实验研究的结果,特别是直接探测的结果,对这些理论模型进行验证。
中科院高能物理所研究员张新民介绍,国家科学界研究最多也最被粒子物理学家看好的暗物质模型是“弱作用重粒子”。主要因为这种粒子与普通物质有弱相互作用,所以具有可探测性。相比之下,其他暗物质模型,由于与普通物质的相互作用更弱,在现有的实验水平下探测到的可能性更小。
暗物质难以探测,除了不发光外,还在于它的速度快,难以捕捉。科学家测算,暗物质粒子每秒的运动速度为220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。而且它们穿过人体时,不会留下任何痕迹,人完全没有感觉。
“暗物质粒子必须有相互作用我们才能‘看’得到它,但是现在具体是什么样形式的相互作用,我们是不知道的。”毕效军认为,如果能够测量到这种相互作用,就有望成功地探测到暗物质。
暗物质粒子探测卫星科学应用系统副总设计师范一中说,目前,暗物质粒子存在的证据都是通过引力相互作用发现的,实验中还没有确定的暗物质信号被探测到。国际上对暗物质的探测方式主要分为3类。第一类是加速器探测,这方面主要的探测设备是欧洲核子中心的大型强子对撞机;第二类是在地下进行的直接探测,中国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验;第三类是间接探测,主要是在空间进行。因为物理学家们认为暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对,这些粒子对在太空中传播就成了宇宙中宇宙射线和伽马射线的一部分。我国发射的“悟空”就是采用这种探测方式,收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子,通过其能谱、空间分布分析来寻找暗物质粒子存在的证据。
现在,国际上一项瞩目的工作是将强磁场和精密探测器送到太空。阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。2013年美籍华人物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中领导的研究团队宣布,阿尔法磁谱仪发现了“弱作用重粒子”存在的依据,而“弱作用重粒子”就是一种暗物质的候选体,这意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步。2014年9月,丁肇中团队和东南大学发布合作研究成果表示,暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认,进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。
国际科学界认为,未来10到20年将是暗物质探测的黄金时代。
(2)根据文章,下列说法正确的是:
- A.天文学家最初通过万有引力原理发现了暗物质
- B.证明了弱作用重粒子的存在即证明了暗物质的存在
- C.目前科学界主要通过暗物质粒子的作用来探测暗物质
- D.阿尔法磁谱仪已经成功探测到了暗物质的存在
正确答案及解析
正确答案
解析
根据文章第二段和第三段可知,最初发现暗物质并非通过万有引力,在后来的研究和观测中才使用了万有引力的原理。因此A选项错误。
文章第十一段提到“目前,暗物质粒子存在的证据都是通过引力相互作用发现的”,并非是弱作用重粒子的存在。弱作用重粒子只是一种暗物质理论模型。”第十二段“‘弱作用重粒子’就是一种暗物质的候选体,这意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步”可知弱作用重粒子的存在并不能证明暗物质的存在,而只是推动发展而已。因此B选项错误。
由文章第十段“暗物质粒子必须有相互作用我们才能‘看’得到它,但是现在具体是什么样形式的相互作用,我们是不知道的。”“毕效军认为,如果能够测量到这种相互作用,就有望成功地探测到暗物质。”可知,目前科学界是通过测量暗物质粒子的作用来探测暗物质,C选项正确。
由文章倒数第二段“阿尔法磁谱仪发现了‘弱作用重粒子’存在的依据,而‘弱作用重粒子’就是一种暗物质的候选体,这意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步。”可知,阿尔法磁谱仪只是发现了‘弱作用重粒子’存在的依据,让人类认识暗物质前进了一步,并没有成功探测到暗物质。因此,D选项错误。
包含此试题的试卷
你可能感兴趣的试题
事后郑老师在班上如何处理此事最合适?
-
- A.为没有有效地组织这个活动再次向学生道歉,表示下次会组织得更好
- B.以此事为话题开班会,通过讨论使学生明确做每件事都有规则和要求
- C.与全班同学共同开展自我批评与反思,由小余在班级中先做检查
- D.在向学生道歉的同时讲清规则的重要,指出学生在活动中的违规行为
- 查看答案
上课铃响了,来上英语课的陆老师看着教室旁仍在打扫的学生们,他如何做最合适?
-
- A.和同学们一起尽快打扫,打扫完后再开始上课
- B.留下班干部继续打扫,组织其他同学开始上课
- C.让全班同学回教室上课,下课以后再继续打扫
- D.和班主任协商,不上课,为教育学生继续打扫
- 查看答案
(题干不全)学生一发不可控制了呢?其原因在于初中学生:
-
- A.正处于青春期,渴望和异性交往
- B.独立性日益增强,叛逆心理出现
- C.富有热情,自制力差,容易冲动
- D.自我意识增强,“成人感”突出
- 查看答案
当郑老师见到学生开始拿蛋糕互相袭击时,哪种做法最为合适?
-
- A.立即叫停并解释原因,让学生回座位吃
- B.看到孩子们玩得开心,自己也参与其中
- C.抓住闹得最厉害的学生,迅速控制事态
- D.有信心控制事态发展,在一旁暗自观察
- 查看答案
冬至这天是初三(3班)小余的生日,郑老师从饭堂出来进到班里准备组织学生午自习,刚进来就被讲台上的大蛋糕惊到了。这时同学们都围上来,小周率先说:“老师,今天是小余的生日,我们一起为她点蜡烛,唱生日歌吧!”小何提议:“您为我们切生日蛋糕吧!”郑老师为小余点了蜡烛,和学生一起唱了生日歌,并切了蛋糕,大家陆续拿到了自己那块。
这时只听“啊”的一声尖叫,小余脸上被涂上了一大块奶油。而这只是开始,拿到蛋糕后同学们兴奋起来,相互朝对方“袭击”,郑老师也没有幸免,她的脸上,衣服上留下的奶油痕迹越来越多。“很少能在学校看到孩子们有这么开心的状态了,玩就玩一会吧。”郑老师心想,但下午还要上课,随即通知大家“活动到12:45分,上之课前收拾好教室卫生。”随后郑老师离开教室回到办公室,去清理脸上衣服上的奶油。
离开教室后,班上更热闹了,有的女生拿着蛋糕在操场上追逐男生,有的学生在教室外拿着蛋糕互相往脸上衣服上抹着,小王的头发上,脸上,衣服上都是白花花的奶油,男生小李干脆用校服蒙住了脑袋……这时,教务处主任来到办公室,告诉郑老师:“你们班的学生疯闹,把奶油弄得满教室满校园都是,赶紧组织学生打扫卫生。”郑老师这才反应过来,立刻来到教室,班上只有二三位学生,只得先组织他们把教室打扫干净。陆续有学生回来,向外班借来拖把,水桶将门前和教室附近的蛋糕收拾干净。上课铃响了,还没有收拾干净……
当郑老师进教室见到讲桌上有大蛋糕时,最合适的做法是:
-
- A.将大蛋糕放到教室后,和学生约定放学后再分吃
- B.将大蛋糕放到办公室,让小余放学后带回家再吃
- C.切分蛋糕,等学生吃完后,组织学生开始午自习
- D.先与学生协商约定规则,再组织小余的生日会
- 查看答案