《寻找缺失的宇宙：暗物质》李金

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《寻找缺失的宇宙：暗物质》李金【文字版_PDF电子书_】

内容简介：

从20世纪40年代提出暗物质概念以来，宇宙观察中发现的很多引力现象都表明宇宙中隐藏了大量的暗物质，其质量约占宇宙物质总质量的85%。除了引力外，难道真的没有其他办法“看”到它了吗?为此，从20世纪末就开始了一场侦测暗物质的大战。由被动到主动，从地下到水下，从高空到太空的侦测活动不断。科学家们采用了所能想到的各种探测手段，使用了各种可能的辨别或判断暗物质的分析方法，想尽快揭示出深藏在宇宙中的秘密，将暗藏在宇宙中的物质大白于天下。暗物质和暗能量被认为是21世纪物理天空中的两朵乌云。揭开这两朵乌云的面纱将会对宇宙、对物质世界的认识带来革命性的突破。我国也不例外，为探知暗物质建立了世界*深的地下实验室，开展了直接寻找暗物质碰撞的实验，发射了专门探测暗物质的卫星，进展异常迅速，举世瞩目。

本书旨在向读者深入浅出、图文并茂地介绍有关“暗物质”的基本知识，了解暗物质的来由、侦测暗物质的方法和手段及其艰苦历程，也展望了暗物质侦测的前景。

作者简介：

作者李金，1964年毕业于中国科学技术大学，曾任中科院高能所总师，研究室主任，BES国际合作发言人。曾以访问学者或客座教授身份在美国，日本，英国，法国，台湾等从事高能物理研究工作。近十几年为清华大学客座教授。50多年来从事核反应研究;核爆炸辐射测量;核探测技术研究;高能粒子对撞机谱仪BES的研制，建造和升级;正负电子对撞物理实验研究;近20年从事中微子和暗物质实验等前沿课题研究。曾获科学院重大科研奖和自然科学一等奖、国家自然科学二等奖、国家科学技术进步二等奖、中国物理学会“吴有训物理奖”、 获国家政府津和国家“中青年有突出贡献专家”称号。曾发表科学论文和科普文章300余篇，编写了清华大学研究生讲义(现代辐射物理与探测)，与他人合着科学书籍( 北京谱仪正负电子物理，北京谱仪II正负电子物理)等。现任中国物理C”Chinese Physics C”刊物的科学编委。

目  录：

第1章.诡秘暗物质的由来

1.1.什么是暗物质?/5

1.2.诡异的暗物质真的存在吗?/12

1.3.可能的暗物质/26

1.4.为什么要探寻和研究暗物质/30

第2章.暗物质的侦测方略

2.1.暗物质粒子的基本性质/45

2.2.暗物质粒子的侦测方略/49

2.3.暗物质粒子WIMP的直接探测/56

2.4.暗物质粒子WIMP的间接探测/72

2.5.人工产生暗物质粒子/79

第3章.侦测行动前赴后继

3.1.寻找碰撞的直接侦测/88

3.2.寻找湮灭的间接侦测/115

3.3.人工产生暗物质的尝试/131

第4章.找到暗物质粒子了吗?

4.1.实验证据的表述/142

4.2.暗物质粒子的迹象或证据/144

4.3.没有看到任何“暗物质痕迹”/156

4.4.目前还很难回答的问题/165

4.5.展望未来/169

第5章.在世界最深的地下寻找暗物质

5.1.最深的地下物理实验室——中国锦屏地下实验室(CJPL)/185

5.2.CJPL开展的两个直接探测暗物质的实验/204

5.3.中国锦屏地下实验室的未来发展——CJPL-Ⅱ /214

后语/223

参考文献/225

图片来源/232

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暗物质 侦测方法 地下实验室

摘要：《寻找缺失的宇宙：暗物质》是李金围绕现代宇宙学核心谜题展开的一部科普作品。全书以通俗而严谨的方式，带领读者走进浩瀚宇宙，探寻那些看不见却真实存在的神秘物质。作者从天文学观测现象入手，揭示暗物质被提出的历史背景，梳理科学家探索暗物质的艰辛历程，并结合粒子物理学、宇宙学以及现代观测技术的发展，展现人类认识宇宙结构的不断突破。作品不仅介绍了暗物质在星系形成、宇宙演化中的重要作用，也展示了科学探索过程中严谨求证、不断修正理论的科学精神。通过丰富的案例和生动的叙述，读者能够理解暗物质为何成为当代科学最重要的研究方向之一，并从中感受到宇宙未知领域所蕴含的巨大魅力。整部作品兼具知识性与思想性，既是一场探索宇宙奥秘的旅程，也是一次关于科学认知边界的深刻思考。

暗物质谜题起源探究

《寻找缺失的宇宙：暗物质》首先从暗物质概念的诞生讲起。长期以来，人类通过望远镜观测星空，认为能够看到的恒星、星云和星系构成了宇宙的全部。然而随着观测技术不断进步，越来越多的异常现象开始出现，这些现象无法通过传统理论得到合理解释。

二十世纪初，科学家在研究星系运动时发现，星系中的恒星运行速度远远超过理论预测。如果仅依靠可见物质所产生的引力，这些恒星本应脱离星系束缚，但实际情况却并非如此。这种矛盾促使科学家开始思考是否存在一种尚未被发现的物质。

作者详细介绍了早期天文学家的研究成果，以及他们如何通过数据分析发现宇宙中存在“质量缺失”现象。正是在这些观测证据的推动下，暗物质理论逐渐形成，并成为现代宇宙学的重要基础。

书中还强调，暗物质并非凭空猜想，而是建立在大量观测事实基础上的科学推断。虽然人们无法直接看到它，但通过引力效应却能够感知它的存在，这种间接发现方式体现了现代科学研究的独特魅力。

科学探索历程全景展现

在介绍暗物质概念之后，李金进一步梳理了人类探索暗物质的漫长历程。随着观测设备不断升级，科学家获得了越来越多支持暗物质存在的证据，推动相关研究持续深入。

星系旋转曲线研究是其中最重要的突破之一。观测结果显示，距离星系中心较远的恒星并没有按照经典理论预期减速运行，而是保持较高速度。这种现象意味着星系外围存在大量不可见质量，为暗物质理论提供了强有力支撑。

作者还介绍了引力透镜效应的研究成果。当遥远天体发出的光线经过巨大质量天体附近时，会发生弯曲和放大现象。通过分析这些现象，科学家能够推测隐藏质量的分布情况，而结果显示宇宙中存在远超可见物质总量的神秘成分。

此外，宇宙微波背景辐射的精确测量也为暗物质研究提供了重要依据。各种观测数据彼此印证，使暗物质从一种理论假设逐渐发展成为现代宇宙学不可或缺的重要组成部分。

通过这些科学发现的发展过程，作品展现出科学研究并非一蹴而就，而是在不断质疑、验证和修正中逐步接近真相。这种探索精神也是全书着力传达的重要思想。

宇宙结构形成关键力量

《寻找缺失的宇宙：暗物质》不仅关注暗物质是否存在，更深入探讨其在宇宙演化中的重要作用。作者指出，如果没有暗物质，今天所看到的大尺度宇宙结构很可能无法形成。

根据现代宇宙学理论，宇宙诞生初期物质分布相对均匀。在漫长演化过程中，引力不断促使物质聚集，最终形成恒星、星系以及星系团。而暗物质由于数量巨大，在这一过程中发挥了主导作用。

暗物质构成了一种看不见的引力框架，为普通物质聚集提供了基础条件。可见物质沿着暗物质形成的结构逐渐汇聚，最终构建出复杂而壮观的宇宙网络。这种观点改变了人类对宇宙形成机制的传统认识。

作者通过大量实例说明，现代计算机模拟显示，只有将暗物质纳入模型之中，才能较好地重现真实宇宙结构。如果忽略暗物质的存在，许多观测结果都无法得到合理解释。

与此同时，暗物质还影响着星系碰撞、星系团演化以及宇宙整体扩张过程。虽然人们尚未揭开其真实面貌，但它已经成为理解宇宙运行规律不可缺少的重要因素。

未来探索方向与意义

面对暗物质这一巨大谜题，科学界至今仍在持续探索。李金在书中介绍了当前国际前沿研究动态，展示科学家为寻找暗物质所进行的各种努力。

粒子物理学家希望通过大型实验装置发现暗物质粒子的直接证据。地下探测器、粒子对撞机以及空间观测卫星等先进设备不断投入使用，力图捕捉这种神秘物质留下的微弱信号。

与此同时，天文学家也在利用更强大的望远镜观测宇宙深处。通过研究星系分布、引力透镜以及宇宙背景辐射，人们希望进一步揭示暗物质的性质和分布规律。

作者认为，寻找暗物质不仅关系到某一种物质的发现，更关系到整个宇宙理论体系的完善。一旦能够确认暗物质的真实身份，人类对宇宙起源、演化以及未来命运的理解都将发生深刻变化。

这种探索具有超越学科本身的意义。它体现了人类不断追求未知、突破认知边界的精神，也展示了科学发展推动文明进步的重要力量。正是这种永不停息的探索欲望，推动着现代科学不断迈向新的高度。

总结：

《寻找缺失的宇宙：暗物质》通过丰富的科学案例和清晰的逻辑结构，系统介绍了暗物质理论的产生背景、发展过程以及现实意义。作品将复杂的宇宙学知识转化为易于理解的内容，使读者能够在阅读过程中逐步建立对现代宇宙学的整体认识。

从暗物质的发现线索到未来研究方向，从星系运动规律到宇宙结构形成机制，李金以深入浅出的方式展示了科学探索的魅力。这不仅是一部介绍暗物质知识的科普著作，更是一部激发求知精神、拓展科学视野的重要读物，为读者打开了一扇认识宇宙奥秘的大门。

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