视觉中国供图
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和“熊猫计划”的实验室相似，意大利格朗萨索国家地下实验室位于地下1400米深处，从1996年这里就在研究暗物质。这是当前基础物理研究最前沿的方向之一，突破性的重要进展将极大促进人类对物质世界的微观结构以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质及暗能量的研究都极为重视,美国和欧洲多国都进行了详细周密的规划。“熊猫计划”项目负责人、上海交通大学鸿文讲席教授季向东博士说，国内已将暗物质和暗能量的研究纳入了中长期规划，很可能在不久的将来实现革命性的突破。在过去的几年内,我国在暗物质直接探测方面实现了长足进步，探测结果的灵敏度达到世界先进水平。他还透露，在香山的一次科学会议上，科学家建议依托锦屏地下实验室进行更大规模的暗物质直接探测实验，并开展卫星暗物质间接探测实验，同时建议在西藏阿里地区进行宇宙微波背景辐射观测，并通过空间站和地面望远镜进行深空巡天观测，从而实现对暗能量的深入研究。
神秘的暗物质，到底是什么
普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西，即使藏身于最黑暗的角落，只要有光照总能发现它们。
谁最先发现了暗物质呢？20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。茨威基首先发现了暗物质的存在，大大推动了物理学的发展。但当时许多人并不相信茨威基的结果，因为暗物质根本不与光发生作用，更不会发光，在天文上用光的手段绝对看不到暗物质。
万物之间存在万有引力，太阳系的九大行星围绕太阳旋转，越往外其转动的速度越低，比如地球绕日速度是每秒30公里，高于火星，而火星的速度又高于位于它之外的木星，这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。20世纪70年代初，科学家在观测宇宙其他一些星系中的恒星运行速度时就发现，越往外，围绕中心的速度并不都是衰减下去，而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外，物质越少，引力也越小，速度也应该越低的常规不符。由此反推，此时虽然外圈的那些能被直接观测到、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，只不过观测不到而已，科学家们大胆地猜测：宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现，这些物质就是“暗物质”。
UGC10214星系是天文学家们发现的一个典型例子，其中的物质不停地向它自己的外围流出，但在其外围却看不到任何别的星系存在。据猜测，这个星系的旁边存在着一种“暗星系”，这些物质流就是在暗星系引力的作用下才流出来的。
科学家认为，通过测量物体围绕星系转动的速度，可以找到暗物质存在的证据。根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和，推算的结果：星系中的暗物质约占宇宙物质总量的20%到30%。
暗物质的物理组成到底是什么？科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成，中微子的运动速度很快，可称之热暗物质；相对的，候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现，答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、只有弱作用的重粒子。
2003年7月28日，加拿大多伦多大学的天文学家成功测出了看不见的星系光晕。根据最新的天文学理论，这些星系由暗物质构成。多伦多大学的天文学家解释称，这些光晕的体积要比看得见的星系体积大5到8倍。
天文学家利用1亿像素的数码照相机和安装在夏威夷岛上的大功率天文望远镜，对150多万个被附近12万个星系的“引力透镜”所扭曲的遥远星系的形状进行了研究。这一研究过程持续了两年，然后又花了两年时间对所获取的数据进行处理。最后研究者指出，我们所在的星系——银河系的光晕，其质量约为太阳的8800亿倍。
爱因斯坦假设，引出暗能量
天文学家认为，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能严格说其是一种斥力，只能称其为能量。宇宙大爆炸时发生膨胀，产生的能量把物质往外排斥，暗能量斥力作用的发现，使学者们认识到，宇宙不光是在膨胀，而且还是在加速膨胀。
暗能量在宇宙中更像是一种背景，让人根本感觉不到它的存在，但它确实存在，且起着非同一般的作用。有人把暗能量称为“真空能”。上世纪二三十年代，就有科学家认为真空不空，只是物理的探测仪器探测不到，“真空”中并非真的什么都没有。
对暗能量理论上的猜测可追溯到爱因斯坦时代。1915年爱因斯坦提出了广义相对论，这是自牛顿时代以来第一次出现的重力理论。1917年，爱因斯坦又将广义相对论公式应用到整个宇宙，想看看能否获得对宇宙本质的新认识，由此引出的暗能量理论。世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程，方程有两种解，第一种解是：如果宇宙只存在引力，没有别的力作用的话，出于相互吸引，宇宙不可能静止；方程的另一种解是：宇宙爆炸的那一瞬间获得了一个初速度，向外膨胀，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越胀越慢，所以宇宙不是膨胀就是收缩，不可能静止。由此得出结论，宇宙不会完全静止，宇宙没有静止点。
爱因斯坦觉得从哲学思想上分析，这两种解都不合适，按他的想法宇宙应该是静止的，不能永不停息的运动。因此，爱因斯坦又向广义相对论引力方程中引入了一项“宇宙常数”。这个宇宙常数起排斥力的作用，有了该常数之后，引力方程同时具备了引力和斥力，正好能够达到平衡，可让宇宙“静止”下来。
上世纪20年代，美国著名天文学家哈勃经过观测发现，宇宙确实是在不断膨胀。他根据星系的距离和运行速度证实，离我们越远的星系向外运动的速度越快，这是宇宙正在膨胀的表现。这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合，迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。爱因斯坦本来是想把宇宙“静止”下来，但实际的宇宙是在膨胀着，因此爱因斯坦不得不承认：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”
但爱因斯坦提出的“宇宙常数”并未被科学家们遗弃，一小部分科学家此后在将观测结果与理论进行对比的时候，常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0，就证明该数确实不能用；反之，就证明爱因斯坦引入一个常数的思路是对的。
1997年哈勃太空望远镜拍摄到一颗超新星，美国马里兰州太空望远镜研究所和劳伦斯伯克利国家实验室的天文学家通过对这颗超新星光线的相对强度进行的研究表明，它爆发于110亿年前，是迄今发现的最遥远的超新星，那时宇宙的“年纪”只有现在的四分之一，宇宙的膨胀很可能经历了一个先减速、后加速的过程。科学家为爱因斯坦的“暗能量”理论找到了第一个直接证据。
超新星即爆炸中的恒星，它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。测定超新星的亮度，可以用来判断宇宙膨胀的速率。在宇宙减速膨胀中诞生的星体，其发出的光到达地球时，该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近，因而地球上的观测者会发现其光要比预计中更亮。
经过大量的计算和分析，科学家们确认哈勃太空望远镜拍到的超新星亮度是预计正常亮度的两倍，比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。科学家们据此判定，这颗超新星爆发于宇宙的减速膨胀阶段。
科学家们指出，新发现和此前的观测结论相结合，证实了宇宙膨胀先减速后加速，同时也证明宇宙中确实存在“暗能量”。
“暗能量”据认为更接近能量，而非物质。科学家认为，与暗物质一样，“暗能量”构成了宇宙中不可见的一部分。科学家估计“暗能量”可能占据了宇宙成分的三分之二，对它的了解对于理解时间、空间、物质和能量具有关键作用。
1998年，天文学家们在南极用80万立方米气球搭载微波探测器，在空中控测了宇宙微波背景下扰动的大量样本。实验气球从1998年12月29日到1999年1月9日从37公里的高空飞越南极，发现宇宙微波背景是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。而此次探测的只是全天中的一小块，因此科学家得出结论：“宇宙常数”不等于0，且在整个宇宙中所占比例还很大。此后，“宇宙常数”正式被称为“暗能量”，这大概是爱因斯坦想不到的。
本报记者 蔡文清 J177
