历经几个世纪的探索，人类对世界的认识范围包含了一百多亿光年（1025m）尺度的浩瀚宇宙至10−35m（普朗克长度）的微小基本粒子。随着探索的深入，我们意识到所知道的竟然是宇宙很少的一部分。这难道还不让人惊奇、费解并值得深究和探讨吗？探寻大量暗藏在宇宙中的物质，找回“缺失”的宇宙，或者说寻找“隐藏”的宇宙，必然是一个“天大”的课题。
波兰天文学家哥白尼（Nicholas Copernicus，1473—1543 年） 在1543 年出版的《天体运行论》一书中指出，“地球并不是宇宙的中心，地球只是围绕太阳运行的一颗普通行星, 而且自身又有转动”。哥白尼的“日心说”推翻了统治天文学千年的“地球是宇宙中心”的“地心说”，是人类对宇宙认识的第一次飞跃。此后，天文学和宇宙学的实验观察和理论研究不断地突破了人们关于宇宙构成的认知。
哥白尼和日心说。图片来自网络
地球不是中心，太阳也不是中心，甚至银河系还不是。随着爱因斯坦广义相对论的提出，人们才认识到宇宙根本没有中心。同样，暗物质和暗能量的存在是以前人类从未想象、也无法想象的事情。今天，随着暗物质、暗能量被证实在宇宙中占有很大比例，这难道不是对我们的宇宙观及物质观的极大冲击和巨大突破吗？
也许，正是暗物质促成了宇宙结构的形成和演变，如果没有暗物质就不会形成今天的星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。尽管宇宙在极大的尺度上似乎是均匀和各向同性的，但在一些小尺度上却存在着恒星、星系、星系堆积或星系团。
我们知道，大尺度上能够维持物质运动的力就只有引力了。我们也知道，绝对均匀分布的物质之间不会有能使其运动的力。因此，今天所有的宇宙结构应该出自宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落又会在宇宙微波背景（cosmic microwave background,CMB）中留下一些痕迹。如果我们不了解占宇宙几乎四分之一的暗物质的性质，不了解宇宙极早期暗物质的分布或涨落，就不能说我们已经了解了宇宙和宇宙的演化。只有进一步探索这些“不可见的宇宙”，找到暗藏在宇宙中的物质，才能真正全面地认识宇宙的构成；只有了解“暗物质”和“暗能量”如何影响银河系及整个宇宙的过去、现在和未来，人类才能最终理解宇宙的起源。
所以说，暗物质的探究对宇宙学、天文学的发展具有重大的意义，同时对研究物质基本结构和基本相互作用的粒子物理学也是重大挑战。20 世纪末美国国家科学技术委员会（National Science andTechnology Council, NSTC）组织了“宇宙物理学”的跨部委的工作小组，研究21 世纪的重大科学前沿问题，并在2004 年5 月初发表了“宇宙物理学”报告（封面照片见图1.4.1）。报告中提出了“建立夸克和宇宙的联系——新世纪的11 个科学问题”，其中第一个问题就是“什么是暗物质（What isthe dark matter?）”。可见，暗物质的侦测与研究不仅是横跨“宇宙学”“天文学”“粒子物理学”三大学科的重大基础研究课题，而且是对这三大学科的重大挑战。
图1.4.1 “宇宙物理学”报告的封面
世纪的11 个科学问题”，其中第一个问题就是“什么是暗物质（What is the dark matter?）”。可见，暗物质的侦测与研究不仅是横跨“宇宙学”“天文学”“粒子物理学”三大学科的重大基础研究课题，而且是对这三大学科的重大挑战。
目前物理学界有两个理论： 一个是关于宇宙结构和演化的宇宙学标准模型——大爆炸宇宙论；一个是关于物质基本构成和相互作用的基本粒子物理学标准模型理论。
暗物质密切关系到宇宙的生成与演变
“大爆炸宇宙论”认为：宇宙是150 亿年前由一个极其致密和炽热的奇点在一次大爆炸后膨胀形成的。1929 年美国天文学家哈勃依据天文观察提出了星系的红移量与星系间距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离并不断膨胀。这就是说，不管你在哪里，也不管你向哪个方向看，远处的星系都正在快速远离你而去。换言之，宇宙正在不断地膨胀。这也意味着很久很久以前星体相互之间靠得很近很近。
依照星系远离我们而去的速度可以推算出，大约100 亿至200 亿年之前的某一时间，它们应该聚集在同一地方，显然，此时的密度应该非同寻常的大。哈勃的发现暗示了存在着某个起始时刻，宇宙从此时刻开始互相远离膨胀。1950 年前后，俄裔美国科学家伽莫夫第一个建立了热暴胀理论。他提出，在宇宙极早期的时候，宇宙很小，然后有一非常短的暴胀阶段，其后宇宙立即变得很大。以伽莫夫建立的热暴胀理论为基础，经过之后的几十年努力，宇宙学家们为我们勾画出一部宇宙演化的历史：
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首先是宇宙起点的10^-43s 大爆炸，接着10^-35~10^-33s 暴胀，暴胀期的温度为10^27~10^22K，主要成分为夸克、电子等最基本粒子，而后温度下降。
大爆炸后数分钟内出现了一些核反应，合成出宇宙中几乎所有的氦。随着膨胀的进行，宇宙逐渐变冷。宇宙中物质冷却的过程中聚结成原初的
星系。原初的星系一方面分裂为恒星，另一方面聚在一起成为范围更广的集团。随着恒星的诞生和死亡，逐渐合成出碳、氧、硅、铁这类重元素…… 图1.4.2 形象地描绘出宇宙暴胀过程的几个时期的特点，图中的横轴表示时间。大爆炸理论引导着我们去追溯整个宇宙的演化，从时间的头几毫秒到地球的形成、生命的出现，甚至可能的未来。同样，如果存在暗物质的话，也应该在宇宙早期的38 万年以前就形成了；暗物质粒子也应该是那个时候产生的，至少是在质子、中子等被称作重子物质产生之前产生的。随后，宇宙变得很冷了。
暗物质的概念不仅来自人们观察宇宙天体运动中的各种奇特的现象（如1.2 节中的天体运动的典型例子），也出自对宇宙产生与演化的理论研究。
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按照大爆炸宇宙学，整个宇宙的几何性质是由其质量- 能量密度（或称宇宙密度）决定的。基于宇宙在大尺度上是均匀及各向同性的基本认识，宇宙的几何空间结构由所谓的罗伯逊- 沃尔克（ Robertson-Walker）度规来描述。根据宇宙物质密度的不同，由罗伯逊- 沃尔克度规描述的宇宙有以下三种基本类型。
设宇宙的密度为ρ ，存在一个临界密度（罗伯逊- 沃尔克临界密度）为ρ c（c为下标），其数值为
（其中，H 0 为当前的哈勃（Hubble）常数，下标 0 表示一个量的当前数值。G 为牛顿的万有引力常数）。
（1）当宇宙物质密度高于临界密度ρ c ，宇宙的空间曲率为正，宇宙几何是球形的，是封闭的；
（2）当宇宙物质密度等于临界密度，宇宙的空间曲率为零，宇宙是平直的；
（3）当宇宙物质密度小于临界密度，宇宙的空间曲率为负，宇宙是开放的，呈马鞍形。
如果用 Ω 表示宇宙物质密度与临界密度之比（ρ /ρ c），则上述三种情形分别对应于Ω >1，Ω =1 和Ω <1。
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我们的宇宙适合于这三种情形中的哪一种呢？研究宇宙演化的理论有一条重要定律——Ω 应满足下面的关系式：
（Ω -1）/（Ω 0-1）=（R /R 0）α
式中，R 是描述宇宙尺度的物理量；α 是正的指数值，其数值取决于宇宙中辐射与物质的主导地位，宇宙早期以辐射为主导，则α =2，当前的宇宙以物质占主导，则 α =1。
由关系式不难看出，初始宇宙尺度越小，Ω 就越接近 1。尽管测量不很准确，当前值Ω 0 值的数量级也在 1 左右。天文学家以今天宇宙的尺度1026m 推算出在宇宙极早期（10-35m 尺度）的Ω -1 约为 10-60 或更小，也就是说宇宙极早期的Ω 约为
Ω = 1.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001
这表明极早期宇宙的Ω 值非常接近1。很难想象，为什么在宇宙的初始条件中会出现Ω 如此接近于 1，或者说为什么我们宇宙的初始空间曲率会如此地接近于零？我们需要有一个理论来解释。在大爆炸宇宙模型中引入了宇宙暴胀概念可以给以不错的解释。今天的暴胀宇宙学理论不仅可以解释宇宙早期 Ω 如此地接近 1，还进一步预言今天的Ω 0 也特别接近1（现实的宇宙已经处于接近平直状态达几十亿年）。或者说，暴胀宇宙学暗示，宇宙的物质密度应该非常接近于临界密度。
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为此，我们对宇宙物质密度及临界密度都做了大量观测。尽管存在一些误差，观测显示，可见物质的密度远远小于临界密度。这么大的差距从哪里来？可不可以用暗物质理论来解释？特别是采用WIMP 假设理论呢？
当然，WIMP 能否真正解释暗物质，还取决于它们的数量大小。与夸克、电子等粒子一样，WIMP 也是在宇宙大爆炸初期的高温中产生的。在宇宙的极早期，虽然高能粒子的碰撞既有WIMP 的产生，也有WIMP的湮灭，但在任意时刻都有一定数量的WIMP 存在。
这一数量会随时间的推移而变化，变化程度取决于受宇宙膨胀过程中“产生”“湮灭”两个过程的平衡程度。一方面，宇宙的冷却降低了碰撞的能量，导致产生的WIMP 数量逐渐减少；另一方面，宇宙膨胀使粒子密度降低，从而降低了粒子碰撞或湮灭的频率，直到碰撞或湮灭不可能再发生为止。到大爆炸后大约 10ns（1ns 为十亿分之一s），宇宙不再拥有产生WIMP 所需的高能量，同时也不再具备让它们湮灭所需的高密度，WIMP 的数量便保存了下来。
在假设WIMP 的预期质量以及它们的相互作用强度（这决定了正反WIMP 湮灭的发生频率）的基础上，物理学家计算出会保留下来的WIMP 数量。让科学家非常兴奋的是，计算出来的 WIMP 的数量和质量刚好能够解释今天宇宙中的暗物质比例。科学家把如此不同寻常的吻合称为“WIMP 巧合”（WIMP coincidence）。这也是把WIMP 作为首选暗物质粒子的重要原因。当然，这不过是在假设存在WIMP 的基础上对宇宙学的观测事实的解释, 只有当WIMP 被真正探寻到才可以得到证实。
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这样，两个十分重大而又非常基本的问题摆在我们面前：宇宙学的大爆炸宇宙论中能够使宇宙膨胀的动力是什么？目前所观察到的宇宙物质密度远小于临界密度的缘由是什么？前者可能是暗能量，后者可能就是暗物质。由此不难看出暗物质研究的重大意义了，对暗物质的探索绝对是天文学、宇宙学和天体物理学的重大前沿课题。
梦寐以求的基本粒子
我们知道，普通的物质是由最基本的粒子组合而成的。物质由原子、分子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由核子（即中子和质子）构成，而核子由最基本的夸克构成。
我们已知的基本粒子如图1.4.3（a）所示，包括： 六种夸克分别用字母 u、d、s、c、t、b 表示；六种轻子分别用：e、μ、τ、νμ、νe、ντ 表示以及它们的反粒子； 另外有传递相互作用的粒子（传递电磁作用的伽马γ，传递强作用的胶子g 和传递弱作用的 W、Z 粒子）以及希格斯粒子。另外，普通粒子的相互作用除引力外，还有电磁作用、核子之间的强作用以及轻子之间的弱作用。图1.4.3（b）中形象地给出了不同粒子的几种相互作用，图中最低层的三种中微子νμ、νe、ντ 只有弱作用；中间层的三种带电的轻子参加电磁作用；最上面的六种夸克之间是强相互作用。
我们要问：第一，暗物质粒子（如上面所说的WIMP 粒子等）是否是我们已经知道的这些粒子中的某种粒子？第二，暗物质粒子本身之间有什么样的作用？第三，暗物质粒子与普通物质粒子之间除引力之外还会有其他作用吗？第四，如果有作用，是普通物质粒子相互作用中的某一种呢，还是存在其他作用？……可见，寻找暗物质粒子不仅对粒子物理研究具有重大的意义，也是对粒子物理的一个重大挑战。这就不难理解，为什么把暗物质的寻找和研究称为21 世纪“建立夸克和宇宙的联系”的首个重大课题了。
图1.4.3 基本粒子及相互作用（a）组成物质的基本粒子和传递作用的玻色子；（b）三种相互作用和
粒子物理学的标准模型理论十分成功地解释了各种实验现象，被广泛地接受。特别是最近，标准理论中预言的“上帝粒子”在最大强子对撞机LHC 实验中被找到。“上帝粒子”（即物理上称之为的希格斯（Higgs）粒子）的证实，表明粒子物理学的标准模型理论近乎完美。
但是标准模型理论也有其不足之处。在粒子物理理论中还有一些棘手的问题，比如标准模型中著名的等级问题（ Hierarchy Problem），即为什么在电弱统一的能标与其他几种作用统一的能标（或称普朗克能标）之间存在高达十几个数量级的差别？此外，基本粒子按照自旋的差别被分为两大类，自旋为整数的粒子（被称为玻色子（ Boson））及自旋为半整数的粒子（被称为费米子 （Fermion）），而这两类粒子的基本性质截然不同。什么样的对称性能将这两类粒子联系起来呢？能够回答这些的理论被称为“超对称理论”。超对称是指费米子和玻色子之间的一种对称性。该理论认为，标准理论中的每个粒子都有和它镜像对称的粒子伴，如图1.4.4 所示。
图1.4.4 基本粒子及其镜像的超对称粒子示意图
超对称理论所预言的粒子叫超对称粒子。图1.4.5 给出了和标准理论粒子对应的超对称粒子的名称和自旋。该理论还认为，虽然在相互作用能量低的时候（能标低的时候），电磁作用、强作用、弱作用，甚至引力作用的作用强度有很大不同；当相互作用能量很高的时候（能标很高的时候），就会趋于一致，而且可能在某个能标下这几种作用几乎相同（见图1.4.6）。我们也可以这样理解，宇宙中只有一种相互作用，只是能标低的时候表现为不同形式而已。例如电磁作用，在某些时候只表现磁作用，某些时候只表现电作用，但它们本质上是同一种作用在不同场合下的不同表现而已。
图1.4.5 基本粒子与其对应的超对称粒子
超对称理论大大简化了粒子物理的基本构架，约化了相互作用，但也带来了烦恼。最讨厌的是在基本粒子大家庭中凭空增添了成倍的成员。超对称理论还预言了一种“ 中性伴子”，它具有一定质量，寿命还很长。“中性伴子”之间的相互作用以及与普通物质的作用都很弱，很容易“穿过”正常物质。
图1.4.6 不同能标下的几种相互作用强度
遗憾的是，多年来这种理论所预言的那么多的超对称粒子，包括“中性伴子”，一个也没有找到。人们不禁要问，它们会不会是暗物质粒子呢？如果暗物质粒子是某种超对称粒子的话，将是对该理论重大的实验支持。从这里也不难看出，暗物质粒子的侦测对基本粒子物理学是多么的重要，又是多么的需要。
物理学家们在展望20 世纪物理学前景时认为，“19 世纪的物理学天空被‘两朵乌云’笼罩了”，20 世纪对这“两朵乌云”的探究出现了“量子论”和“相对论”，给物理学界带来了革命性的变革，极大地推进了人类对客观物质世界的认识。
21 世纪的今天，现代物理学的天空中又有“两朵乌云”——暗物质和暗能量。揭开暗物质和暗能量这“两朵乌云”之谜，很可能导致下一场物理学的革命，促成人类对物质世界和宇宙认识的又一次重大飞跃。
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