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  3. 从20世纪30年代至今，科学界从未停止对暗物质的探索。那么，什么是暗物质？找到它

从20世纪30年代至今，科学界从未停止对暗物质的探索。那么，什么是暗物质？找到它

练习题库2022-08-02  30
问题 从20世纪30年代至今，科学界从未停止对暗物质的探索。那么，什么是暗物质？找到它难在哪里？探索它又有何意义？2015年12月17日，由中国科学院总体研发的我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，它的一个使命就是寻找暗物质存在的证据。一般情况下，凭借肉眼或借助工具就能看到普通物质，但暗物质是个例外。天文学家茨威基研究发现：在星系团中，看得见的星系占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。这一结论意味着星系团中有某种神秘物质被人忽略。在当时，多数人并不认同茨威基的观点。不过，后来的宇宙观测结果越来越验证这一观点的可信性。因为按照万有引力原理，物体围绕中心旋转，越往外转动速度越低。但20世纪70年代，科学家在观测宇宙一些星系中的恒星运行速度时发现，往外看，围绕中心的速度并不都是衰减下去，有些和内圈恒星的速度差不多。理论上讲，越往外，物质越少，引力越小，速度也应该越低。科学家由此推测：外圈的那些能被直接观测到的、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，只不过没被观测到而已。这些天文观测直接看不到的物质被称为暗物质。“虽然我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质，但我们却发现了由于这种物质的引力作用对于其他可见的物质运动影响，这是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”中科院高能物理所研究员毕效军说。暗物质的物理组成到底是什么？毕效军说，通常认为暗物质是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。与通常物质一样，暗物质也有引力作用。根据引力效应，天文学家估算，宇宙由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成。这些看不见的“大多数”就像披上了隐形衣一样，使长期以来在宇宙中占比最多的东西反而是人类最迟也是最难了解的，至今仅知道它们存在，还不清楚它们的性质。暗物质如何产生？毕效军认为，和普通物质一样，暗物质应该也来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常强，它们剧烈碰撞，在这种相互作用下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。为了解暗物质这种存在于宇宙的隐身神秘“居民”，科学家做出了一些基于假设的理论模型，但物理学界渴望有实验研究的结果，特别是直接探测的结果，对这些理论模型进行验证。中科院高能物理所研究员张新民介绍，国家科学界研究最多也最被粒子物理学家看好的暗物质模型是“弱作用重粒子”。主要因为这种粒子与普通物质有弱相互作用，所以具有可探测性。相比之下，其他暗物质模型，由于与普通物质的相互作用更弱，在现有的实验水平下探测到的可能性更小。暗物质难以探测，除了不发光外，还在于它的速度快，难以捕捉。科学家测算，暗物质粒子每秒的运动速度为220千米，是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。而且它们穿过人体时，不会留下任何痕迹，人完全没有感觉。“暗物质粒子必须有相互作用我们才能‘看’得到它，但是现在具体是什么样形式的相互作用，我们是不知道的。”毕效军认为，如果能够测量到这种相互作用，就有望成功地探测到暗物质。暗物质粒子探测卫星科学应用系统副总设计师范一中说，目前，暗物质粒子存在的证据都是通过引力相互作用发现的，实验中还没有确定的暗物质信号被探测到。国际上对暗物质的探测方式主要分为3类。第一类是加速器探测，这方面主要的探测设备是欧洲核子中心的大型强子对撞机；第二类是在地下进行的直接探测，中国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验；第三类是间接探测，主要是在空间进行。因为物理学家们认为暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对，这些粒子对在太空中传播就成了宇宙中宇宙射线和伽马射线的一部分。我国发射的“悟空”就是采用这种探测方式，收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子，通过其能谱、空间分布分析来寻找暗物质粒子存在的证据。现在，国际上一项瞩目的工作是将强磁场和精密探测器送到太空。阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。2013年美籍华人物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中领导的研究团队宣布，阿尔法磁谱仪发现了“弱作用重粒子”存在的依据，而“弱作用重粒子”就是一种暗物质的候选体，这意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步。2014年9月，丁肇中团队和东南大学发布合作研究成果表示，暗物质存在实验的6个有关特征中，已有5个得到确认，进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。国际科学界认为，未来10到20年将是暗物质探测的黄金时代。（2）根据文章，下列说法正确的是：A.天文学家最初通过万有引力原理发现了暗物质B.证明了弱作用重粒子的存在即证明了暗物质的存在C.目前科学界主要通过暗物质粒子的作用来探测暗物质D.阿尔法磁谱仪已经成功探测到了暗物质的存在
选项 A.天文学家最初通过万有引力原理发现了暗物质
B.证明了弱作用重粒子的存在即证明了暗物质的存在
C.目前科学界主要通过暗物质粒子的作用来探测暗物质
D.阿尔法磁谱仪已经成功探测到了暗物质的存在
答案 C
解析 根据文章第二段和第三段可知，最初发现暗物质并非通过万有引力，在后来的研究和观测中才使用了万有引力的原理。因此A选项错误。
文章第十一段提到“目前，暗物质粒子存在的证据都是通过引力相互作用发现的”，并非是弱作用重粒子的存在。弱作用重粒子只是一种暗物质理论模型。”第十二段“‘弱作用重粒子’就是一种暗物质的候选体，这意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步”可知弱作用重粒子的存在并不能证明暗物质的存在，而只是推动发展而已。因此B选项错误。
由文章第十段“暗物质粒子必须有相互作用我们才能‘看’得到它，但是现在具体是什么样形式的相互作用，我们是不知道的。”“毕效军认为，如果能够测量到这种相互作用，就有望成功地探测到暗物质。”可知，目前科学界是通过测量暗物质粒子的作用来探测暗物质，C选项正确。
由文章倒数第二段“阿尔法磁谱仪发现了‘弱作用重粒子’存在的依据，而‘弱作用重粒子’就是一种暗物质的候选体，这意味着人类向认识暗物质方向前进了重要一步。”可知，阿尔法磁谱仪只是发现了‘弱作用重粒子’存在的依据，让人类认识暗物质前进了一步，并没有成功探测到暗物质。因此，D选项错误。
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