什麼是暗物質？科學家們為何選擇在深地仰望星空？

12月7日，清華大學、上海交通大學等10個實驗項目組正式入駐中國錦屏地下實驗室錦屏大設施，開展暗物質探測等一系列科學實驗。什麼是暗物質？科學家們為什麼選擇在深地開展研究？

“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛”，在浩瀚宇宙中，小到一粒塵埃，大到山川湖海、日月星辰，都是可見物質。但世界真的只是由看得見觀測到的物質構成的嗎？

２０世紀３０年代，瑞士天文學家弗裏茨·茲威基通過大量天文學觀測和推導，根據一些星系運動的異常，首次提出暗物質的猜想。“所謂暗物質，是指人類肉眼看不到、摸不著，且使用天文望遠鏡和電磁學手段觀測都無法捕捉到的物質。暗物質既有‘穿墻術’，又有‘隱身術’。”上海交通大學教授、PandaX實驗發言人劉江來説。暗物質，多數人可能聽起來比較陌生，但科學家推測，可見物質僅佔整體宇宙品質的5%左右，剩下的約95%都是暗物質和暗能量。

中國錦屏地下實驗室內展示的科普資料。新華社記者 胥冰潔 攝

暗物質和暗能量被科學家們比作“籠罩在21世紀物理學天空中的兩朵烏雲”，兩者難以用現有理論解釋。“我們對於宇宙中95%的東西還摸不著頭腦，這種好奇心驅使我們去了解未知領域，認識世界。”清華大學工程物理系教授、CDEX暗物質實驗負責人岳騫説，暗物質研究是突破當前認知邊界、打開人類視野的新的研究，屬於開拓性的前沿研究，也是當前粒子物理學、宇宙學、天文物理學等學科前沿的研究課題。

然而，要想直接探測到暗物質，十分困難。暗物質與普通物質發生作用的幾率極其低，一個形象的例子可以説明：通過實際計算，每秒鍾大概有10億個暗物質粒子撞擊著我們的身體，但大多都“穿身而過”，暗物質粒子和我們身體中的原子發生碰撞的次數卻十分稀少，大約一年一次。此外，無處不在的宇宙射線會極大干擾探測工作，讓本就困難的探測工作難上加難。

一座能阻擋宇宙射線、實驗環境和器材輻射本底低的“純凈”實驗室成為探測暗物質的必要條件。

錦屏地下實驗室錦屏大設施位於四川省涼山彝族自治州錦屏山地下2400米處，總容積33萬立方米，實驗室宇宙線通量僅為地表的一億分之一，具備“極低環境氡析出”“極低環境輻射”“超低宇宙線通量”“超潔凈空間”等多種優勢，為開展暗物質探測提供了絕佳的實驗環境。

2010年，錦屏地下實驗室一期建成投運，清華大學CDEX實驗組和上海交通大學PandaX實驗組首批入駐，開展暗物質直接探測實驗。自一期投運以來，錦屏地下實驗室在暗物質探測、核天體物理等領域取得多項國際領先的科研成果。

清華大學CDEX實驗組研究人員在中國錦屏地下實驗室開展相關實驗。新華社發

“經過十多年的努力，中國暗物質研究從無到有，從‘跟跑’到‘並跑’再到逐步‘領跑’，已經走到了國際前沿。接下來，我們將和外國科學家們一起向人類面臨的同一科學問題發起挑戰——在尋找暗物質的道路上，看看誰能最先找到暗物質。”岳騫説。

暗物質研究對人類社會有何意義？我們的生活會因此發生變化嗎？“100多年前我們已經探測到了電磁波，但當時從沒想過它會跟我們的生活息息相關，現在我們人手一部手機，已經完全離不開無線電的具體應用了。”岳騫認為，暗物質也是一樣，首先得找到暗物質，然後對它進行深入研究，最後會自然而然想到怎麼用它去造福社會。（邢拓、薛晨）