极深实验室：中美欧大力建设，暗物质是什么？为何要在地底研究？

在地底建立极深实验室，听起来似乎并没有那么重要。

但实际上，几乎全世界所有的科技强国都在建设自己的极深实验室。美国明州、加拿大的斯诺、日本的神岗、韩国的襄阳（与中国重名）、法国的摩丹、俄罗斯的伯克山等等地方都建设有各自的极深实验室。容积从几百立方米到十几万立方米，垂直岩石覆盖厚度从几百米到两千多米各不相同。建设如此多的极深实验室，目的都是为了研究暗物质。

为了研究暗物质，中国也建立了自己的极深实验室“中国锦屏地下实验室”。实验室位于四川雅砻江，于2010年6月正式建成，垂直岩石覆盖达2400米，是世界岩石覆盖最深的实验室，也是世界上最好的超低本底实验室之一。2015年，中国还曾发射“悟空”号暗物质粒子探测卫星，专门进行暗物质信息采集。

在美国南州布莱克山底深处，美国工人正在建造世界上深度最高的极深实验室，最深处预计达2438米，超过6个帝国大厦。美国的物理学家希望借助这个独一无二的实验室，揭开暗物质的谜底。

暗物质被称为“世纪之谜”，被当作牛顿力学、爱因斯坦相对论一样划时代物理力量，它到底是什么？和人类又会产生怎样的联系？为何国都甘愿大力建设自己的极深实验室？本文，我们就来看看这些前沿科学问题。

（1）避免宇宙射线

地面上充满了各种射线，宇宙射线是最主要的射线之一。它们是能量很高的带电粒子集群。不仅存在于地表，而且能够轻易的穿透地面，到达地底。故而想要研究极难发现的暗物质，首要做的就是屏蔽掉产生干扰的宇宙射线。

（2）地下极深处

为了避免宇宙射线的影响，研究暗物质的实验室往往建立在地底深处。借助地面来最大程度屏蔽宇宙射线。这也意味着，着一定程度上，实验室深度越高，实验环境可能就越纯粹干净。

（3）垂直岩石覆盖

对于各种宇宙射线，岩石是天然的阻隔物。而且随着岩层的增厚，宇宙射线衰减会越来越快。所以极深实验室不仅要求建在地底，还会选择最大的垂直岩石覆盖度。对于一些小国来说，合适的地址非常难找。中国锦屏地下实验室的垂直岩石覆盖达2400米，是岩石覆盖世界之最。

中国锦屏地下实验室是世界上最优越的探测暗物质的科研环境，它的建成标志着中国拥有了一流的洁净的低辐射研究平台，能够独立开展国际最前沿的基础研究课题，极大提高我国重大前沿物理问题研究水平。

（1）暗物质是什么？

简单来说，暗物质是宇宙物质中的一种未知物质。作为宇宙构成部分中超过25%的存在，它们既不发光也不吸收光。既不产生电磁辐射也几乎不与普通物质发生作用。就存在于我们的周围，却始终未被探测到。有科学家甚至大胆做出假说，每天都有万亿个暗物质粒子穿过我们的身体，但可能只有一个或者两个原子核与暗物质发生碰撞。

暗物质虽然量大，却极难检测。他们星系间的粘合剂，宇宙正是因为暗物质参与了引力作用，才使得星系得以形成。但暗物质的一种特殊的属性又使得其不参与强相互作用和电磁作用，因此我们感受不到它的存在，也观测不到。

（2）暗物质存在吗？

因为难以观测，暗物质的存在一直是一种假说，被称为“世纪之谜”。但如今已经得到科学界广泛的认可，这一点从各国不断投入的研究也能侧面说明。这里我做简单的科普，希望能帮助大家理解。

高中物理中详细讲解了万有引力，我们简单回顾。宇宙中，物体绕着一个天体转圈，维持这种旋转的力量叫万有引力。而物体速度越快，所需要的引力就越大。如果用万有引力的公式去计算，理论上太阳绕着银河系质心的速度应该是160km/s。

但实际上，太阳的运动速度竟然是220km/s。这就说明，存在一种无法观测到的物质提供了额外的引力。为此，科学家不得不假设存在一种物质，正在为类似太阳这样的星体提供额外引力，虽然人类的观测手段没有办法看到它的存在。

这种物质就叫做暗物质。

（3）暗物质如何观测？

暗物质的探测，是一件极其困难的事情。而目前能用来提高暗物质探测灵敏度的方法只有两个。一个是增加探测器的质量，一个是降低外界信号的干扰。2015年底，中国曾发射“悟空”号暗物质粒子探测卫星，专门在距离地面500公里左右的太阳同步轨道上观测暗物质。而中国建设地下2400米的极深实验室，也是为了借助地底屏蔽外界信号干扰的特点，更好的观测暗物质。

基础科学从发现到应用往往动辄以百年为计量单位，而这种影响必然是颠覆性的。有了牛顿力学，才有了现代物理学，有了相对论和量子力学，才有了航天、半导体和互联网。作为当今世界最前沿的科学话题，相信暗物质发现的作用，不会亚于它们。

如果我们可以发现暗物质的存在，那么就可以通过研究暗物质，发现宇宙的起源到底是什么样子的，也可以发现宇宙结构的形成方式，甚至说不定可以将暗物质为人类所用，成为更加高效、更加强大的能量。科幻电影中充斥着大量的暗武器，也正是人们对未来的一种设想。

对科学的追求，是人类社会不断进步的主要动力。暗物质占宇宙物质总质量 25% 以上，其存在决定着宇宙的过去和未来，是科学家们最渴望揭开的宇宙神秘面纱。因此暗物质粒子的找寻与其性质的研究是当今物理学最前沿的课题之一。也许再过100年，人们的日常生活都离不开暗物质突破后产生的新的理论。

灾难大片《2012》中，有一个距离地面1万米深的地下实验室，在这里，印度科学家最先发现地球即将毁灭的征兆。电影的情节虽然是虚构的，但是世界上的极深实验室确实存在。值得骄傲的是，目前世界岩石覆盖最深的实验室，就藏身在我国四川锦屏山2400米的岩层下。

希望中国能早日在暗物质研究中取得突破，引领下一个文明变革。