什么是暗物质实验室

在现代宇宙学中，普遍认为暗物质是一种全新的基本粒子，不同于任何我们熟悉的粒子。暗物质之所以被称为“暗”，是因为天文学家至今没有发现这种物质发出的任何光子，这意味着暗物质粒子几乎不直接参与电磁相互作用。电磁力是带电粒子在电场、磁场或电磁场中感受到的力。在自然界的四种基本相互作用中，电磁力是其中之一，另外三种是强力、弱力和引力。光子是传递电磁力的中间介质。带电粒子依靠光子作为传递电磁力的介质，电荷是基本粒子的固有属性。只有带电粒子或带电物质才能感受到电磁力，发出的光子才能被人眼或探测设备看到，这也对探测暗物质粒子的方式提出了挑战。

分子间力，即分子之间相互作用，是日常生活中遇到的物质中电磁力的一种形式。暗物质不直接参与电磁相互作用，因此可以说不会对日常生活中熟悉的物理化学过程产生任何影响。事实上，天文学家估计每秒钟有数千个暗物质粒子穿过人体，但在暗物质粒子眼中，人体几乎是透明的。现在主流的暗物质粒子理论假说认为，暗物质粒子与人体所含的氢、氧、碳、氮等元素的原子核发生碰撞的概率只有一天几十次，暗物质粒子与人体的直接相互作用不会被人体探测到，不会产生危害后果。其实有一种寻找暗物质粒子的方法，就是利用一种特殊的探测装置，寻找暗物质粒子与原子核可能发生的碰撞，从而知道暗物质粒子的相关性质。我们把这种方法称为暗物质粒子的“直接探测”——虽然暗物质粒子是不可见的，但这种碰撞实际上就发生在这个实验装置中。然而，当两个暗物质粒子相互碰撞时，可能会发生“湮灭反应”——两个粒子相互拥抱，撞成碎片，释放出大得多的能量。如果暗物质粒子的质量是现在主流理论认为的质子的几百倍，那么暗物质粒子碰撞发出的能量将是可见光光子的1000亿倍。如果人体发生这种湮灭反应，很可能会导致对人体有害的突变。当然，这种事件发生的概率很低。

到目前为止，人们只能通过宇宙中广泛分布的暗物质结构的引力效应来知道(并且已经发现)宇宙中存在大量的暗物质。现代宇宙学是一门新的重要的基础交叉学科。它是通过对宇宙本身和宇宙中天体的观测结果，结合现代物理学的基本认知，研究宇宙大尺度结构的起源和演化的一门学科。宇宙学的研究对象是天体的运动及其第一成因，在人类历史上很长一段时间都是形而上学的一部分。宇宙学作为现代科学的重要组成部分，起源于哥白尼原理和牛顿力学，指出地球上的天体和物体遵守相同的物理原理，解释了天体的运动。总的来说，现代物理宇宙学起源于20世纪爱因斯坦的广义相对论和对遥远天体的天文观测，暗物质的研究是现代宇宙学和粒子物理学的重要课题之一。

为了解释暗物质，早期的理论认为暗物质可能是宇宙中普通物质形成的大质量天体，如大质量致密天体，包括黑洞、中子星、老白矮星等。但根据观测实验结果，这些天体的质量并不足以解释宇宙中暗物质的大比例。其他理论主要是通过修正引力理论来解释观测到的与暗物质相关的现象，比如修正的牛顿动力学理论。目前科学界对暗物质解释的主流观点是暗物质是一种非重子的亚原子粒子，其粒子性质的认证和研究经历了宇宙学几十年，至今仍是一个未解之谜。