前不久，号称在世界三大直接探测暗物质粒子实验中灵敏度最高，有望最先捕获暗物质中弱相互作用重粒子的美国LUX-ZEPLIN实验室宣布重大进展：其研究的项目顺利通过美国能源部第三阶段评审，现有技术设计方案被确定为最终版本，并正式开始建造工作。

目前，世界各国都在加大对暗物质的探测强度，中国也取得了一定探测成绩。去年底，中科院紫金山天文台通报，我国发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”在近两个月内频繁记录到来自超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是暗物质卫星科研团队自卫星上天后首次发布观测成果。

物理学天空的 “新乌云”

在中科院物理所的微信公众号上，有一篇名为“一张图看懂暗物质”的图文，点击量已经达到6万次以上。在这篇文章中，暗物质被称为“物理学天空的新乌云”，物理学界喜欢用这样的表述来表示当前未能解决的重大难题。

暗物质，就是这个重大难题。

20世纪，科学家们发现宇宙在不断膨胀，并且发现了“宇宙微波背景辐射”，即在宇宙大爆炸之后形成的热辐射，迄今依然有所残留。1978年，发现“宇宙微波背景辐射”的美国物理学家阿尔诺·艾伦·彭齐亚斯和罗伯特·伍德罗·威尔逊获得诺贝尔物理学奖。

通过“宇宙微波背景辐射”，科学家们推测出了更多宇宙信息，包括年龄、能量密度和膨胀速度。2013年3月，欧洲航天局公布了“普朗克”太空探测器传回的宇宙微波背景辐射全景图，把宇宙的精确年龄修正为138.2亿岁。

但是，随着人们对宇宙和星系了解的更深，相应的问题也出现了。星球之间存在万有引力，引力大小与质量有关，因为引力存在，恒星会围绕着星系公转，我们所在的太阳系也会围绕着银河系公转。不过，如果仅仅计算星系质量和相关引力影响，人们发现，现有的星系恒星之间的引力，根本不足以把星球约束在轨道上。

上世纪30年代，荷兰天文学家简·亨德里克·奥尔特和美国加州理工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇发现，宇宙中存在很多星系团，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团质量是恒星的100倍以上，否则星系团根本无法约束住星系。

这就说明，星球之间还存在其它我们看不见的物质，人们通过肉眼根本观测不到它，因为它不发射光子，不吸收和散射光子，也不参与电磁作用，但它确确实实存在，并且构成了宇宙质量中的绝大部分，宇宙质量中的90%，很可能处于暗物质的状态。

这种物质就被称为暗物质，人们感受到它的方式，就是无所不在的引力。

从太空到地下的竞争

2015年，我国暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉成功发射，这是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。暗物质粒子可能会因为碰撞湮灭或衰变，而发出宇宙射线，我们就可以通过这些宇宙射线产生的痕迹，即特定能谱来探测暗物质。

暗物质粒子探测卫星，采用的是空间间接探测方法来寻找暗物质。目前，世界上公认的三种寻找暗物质方法，除了空间间接探测外，还有利用大型强子对撞机模拟宇宙大爆炸、探测暗物质粒子与普通粒子碰撞发生的信号两种方法。

我国和美国、欧洲都在采取不同方式，布局暗物质探测，争夺未来的“第一”宝座。毕竟，人们所能观测到的宇宙范围非常小，一旦成功探测到暗物质，就如同在茫茫大洋中寻找到新大陆，人类对宇宙的探索将打开新的一扇窗。

在前不久举行的第三阶段评审会上，美国能源部批准了LUX-ZEPLIN实验室的相关方案。来自美国、英国、葡萄牙、俄罗斯和韩国等国37个研究机构的近220位科学家和工程师将展开合作，用7吨液氙探测银河系暗物质与普通物质间的弱相互作用。实验的设计原理就是，当暗物质粒子与液氙原子碰撞时，液氙腔内的电子会向顶部飘移，迅速产生闪光。这些携带暗物质粒子信号的光脉冲，会被排列在大型容器内的500个光扩增管捕获。

相比之下，欧洲的暗物质实验则是“起了大早，赶了晚集”，位于地下1400米深处、设在意大利格兰萨索国家实验室的相关设备，已在2015年末开始运行，但是液氙容量和相应灵敏度均不及美国的新实验设备。

在暗物质探测中，我国也在发力，位于屏锦地下实验室的暗物质直接探测项目CDEX和PandaX近年发表了多次探测结果，其中PandaX项目也是基于液氙技术。我国还在积极推进这些实验的二期建设，力争5年到10年内能够利用20吨到30吨级的液态氙实验，探测大质量暗物质粒子，用1吨级高纯锗实验探测轻质量暗物质。

未探测到的不只是暗物质

事实上，随着人们加大对暗物质的研究，相关的探测技术也在不断更新。以“悟空”卫星为例，探测器的最核心组成部分为BGO量能器，它是实现暗物质卫星核心探测功能的关键分系统，由中国科技大学和中科院紫金山天文台合力打造。量能器的BGO晶体，此前世界范围内最长的只有30厘米，但中科院上海硅酸盐所成功将晶体做到了60厘米。

尽管暗物质究竟有什么作用人类还不知道，但暗物质是继哥白尼日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论和量子力学之后，人类对自然规律认识的又一大飞跃，而这样的认识飞跃，将在很长时间内对整个人类的科学水平产生深远影响。正如人类在万有引力定律提出282年后，阿姆斯特朗的脚印才印在了月球上，但如果没有万有引力定律，人类根本离不开地球。

“我们可以看到，每一次（新的发现）都是对以前观念的缺陷的弥补，每一次新的观念都是我们认识宇宙的一次飞跃。”天体物理学家张双南说。

其实，彭齐亚斯和威尔逊在发现宇宙背景微波辐射中的微小起伏，也开始被物理学界关注，“那些起伏的尺度可用来作为宇宙大尺度的几何指示物，他们指出宇宙根本是平坦的（正如在第三类弗里德曼模型中那样）！”《时间简史》一书中如是写道。

弗里德曼模型，即前苏联数学家弗里德曼通过解爱因斯坦的引力场方程所得到的假设。弗里德曼的一些假设，后来被哈勃望远镜所证实。

但是，即便算上暗物质的质量，也无法解释弗里德曼模型，物理学家不得不假设，除了暗物质之外，宇宙中还有另一种未被探测到的实体，即暗能量。而暗能量与暗物质之间的关系，现在尚处于研究状态，并无最终定论。

即使在未来，人类能够拨开暗物质这片“乌云”，这片“乌云”背后也会有更多未知“乌云”在等待着人类，而正是在这一次次拨开过程中，人类在更新着旧有观念的同时，也在不断探索着浩瀚宇宙的更深处。