属于暗能量研究的实验装置有哪些

Ⅰ “天籁实验阵列”首次探测到快速射电暴事件

快速射电暴是广袤宇宙中的一种 射电波剧烈爆发 的现象。它一般“神龙见首不见尾”，闪现几毫秒，便再无踪迹。

《天文学家电报》近日报道，国内首个 暗能量探测实验设备 ——“ 天籁实验阵列 ”发现一例新的快速射电暴。该快速射电暴位于 猎拦肢犬座方向 ，被探测到的时间为北京时间 2022年4月15日凌晨1时26分40秒 。

“这是天籁实验阵列首次探测到快速射电暴事件，也是国内首次用 射电阵列 探测到快速射电暴。”4月24日，在接受科技日报记者采访时，天籁计划首席科学家、中科院国家天文台研究员陈学雷指出。

快速射电暴是天体物理学中一个非常年轻的新兴领域，2007年，人们首次发现快速射电暴。事实上，它并非罕见事件，每天大约有 上千起 快速射电暴事件的信号抵达地球。

“它可能出现在天空中的 任何方向 ，其爆发时释放的能量可以达到太阳数天甚至一年的能量。由于其释放的能量十分巨大并可能在遥远的宇宙中被探测到，快速射电暴有望成为人们探索宇宙的重要途径。”陈学雷说。

但是，快速射电暴持续的时间实在太短了，这让捕捉和探测成了一件充满挑战的事情，更不用说寻找和定位其来源了。因此，“关于快速射电暴的起源，目前尚不明确。天文学家提出了很多模型和假说，一般认为， 其与致密天体有关 。”陈学雷表示。

以往的研究发现，这些爆发会发生 色散 。也就是说，快速射电暴爆发时会产生一个 射电波 ，当射电波穿过物质时，它们会发生“扩散”，或者说 产生色散 ， 频率较高的部分传播速度稍高于较低的部分。

“根据这一现象，我们可以估算 事件发生地和地球之间的距离 。在已发现的快速射电暴中，这次探测到的快速射电暴兆罩是属于非常明亮的一个，这次爆发 来自远远超出银河系之外的宇宙空间 。根据星系际物质的 平均色散量 估计，其距离我们最远可达 约33亿光年 。”陈学雷介绍。

此前，“中国天眼”也探测到不少快速射电暴。“相比‘中国天眼’，天籁实验阵列的优势在于 望远镜的视场很大 ，使用 数字波束合成技术，可以同时监视天空多个方向，本事件也是国内首次使用合成波束技术探测到的快速射电暴 。”陈学雷说，这一技术更适合快速射电暴的 盲寻 ，找到后也可为“中国天眼”等其他射电望远镜提供预警，这将有助于科学家尽早揭开快速射电暴的神秘面纱。

陈族衡闹学雷介绍，天籁实验阵列位于 新疆哈密市巴里坤县的红柳峡观测站 ，共建有 柱形和碟形 两种样式的天线，主要开展中性氢巡天实验，可用于研究宇宙大尺度结构、暗能量等相关宇宙学前沿问题。红柳峡观测站始建于2014年底，其中，柱形阵列快速射电暴探测系统于2021年秋季安装部署，并于2021年底开始试运行。（记者 陆成宽）

这里所讲的天籁之音可不是普通的收音机信号，天籁计划目标的第一步是争取探测到宇宙中的中性氢，之后要去探测暗能量，这需要口径100米的射电望远镜阵列，暗能量被认为是宇宙中最强大的事物，正是它在推动着宇宙的急速膨胀，这种事物占了宇宙总质能的68.3%左右，但是它的存在形式我们看不到，而它推动宇宙膨胀时的磅礴之音，也还没有被我们听到。

天籁计划的望远镜也可以看到快速射电暴，它的优势是巡天的面积相当大，可以说要比天眼所看的巡天面积大多了，这也是天籁计划望远镜具备的技术优势。

总之，天籁计划建设的目的是要接收来自于宇宙深处的各种信息，搜集到信号后通过线缆传回观测站数字机房，然后再发往北京进行汇总分析，根据这些数据信号来寻找暗物质和暗能量的信息，所以这片巨大的射电天文望远镜阵列就如同一个功能强大的宇宙电波收音机，在时刻收听着来自于宇宙深处的声音。

Ⅱ 十大暗物质实验室

1.锦屏地下实验室 2.美国南达科他州布莱克山山底实验室

Ⅲ 如何开发利用暗能量

作品完成时间： 2018-11-12

前段时间，一个想法在我脑海中悄然而生，于是我便迫不及待地记了下来。这个想法就是关于如何开发暗能量的，本文将对此进行描述。本文的所有推导均符合科学常识，不存在任何自造概念。

在我们生活的世界中，尽管我们无法察觉，但是不计其数的粒子在每时每刻地穿透我们的身体。他们似乎与我们的世界不存在丝毫相互作用。尽管他们是如此的狡猾，但是我还是发现了他们的踪迹。他们确实和我们相氏颤互作用。我是通过场源的加速运动发现了他们的伎俩的，并知道如何获取暗能量。

下面我先从电荷运动开始做讨论。

如果两个同种电荷被连接在一起，然后匀速运动，那么电荷的受力情况是怎样的呢？

如图 1所示，P1和P2是同种电荷，当静止时，P1受到的力为F，方向垂直向上。如果P1和P2以速度v匀速运动，那么在一定时间t内运行到A'和B'位置。电场传播是需要时间的，此时，P1在A'位置受到电场力逗核拦实际上是P2在B位置激发出来的电场E产生的。但是，因为P1存在一个速度v，在P1看来，仿佛电场是P2从B'位置激发出来的E'，所以，P1受到的力为F'（减少了），方向仍然是垂直向上。

如果P1和P2之间的距离为L，运动速度为v，场传播速度为c，那么A和A'之间的距离d是固定的。也就是说，在时刻t1，P2激发的电场，必然在t2时刻打到P1。t1和t2之间的时间t是固定的，

。打到P1的电场的速度的水平分量必然等于v，如果不是v，那么就无法撞击P1。也就是说，P2发出的电场，只有其速度的水平分量为v的才能撞击到P1，其它方向的电场是无法与P1相遇的。因为P1有一个水平方山胡向的运动，电场E作用到P1时势必减弱。因此，在P1看来，仿佛电场是P2从B'位置激发出来的E'，电场强度变弱，这种匀速运动的情况，E'和E的强度关系符合洛伦兹变换。

如果两个异种电荷被连接在一起，然后做加速运动，那么电荷的受力情况是怎样的呢？

如图 2所示，P1和N2是异种电荷，当静止时，P1受到的力为F，方向垂直向下。如果P1和N2以加速度运动，那么在一定时间t内运行到A'和B'位置。B''是假设电荷以速度v3匀速运动的位置。电场传播是需要时间的，此时，P1在A'位置受到电场力实际上是N2在B位置激发出来的电场E产生的。P1存在加速度，在P1看来，仿佛电场是N2从B''位置激发出来的E'，所以，P1受到的力为F'（减少了），方向朝右下方。

如果P1和N2之间的距离为L，初始运动速度为v1=0，加速度为a，场传播速度为c，那么A和A'之间的距离d是固定的。也就是说，在时刻t1，N2激发的电场，必然在t2时刻打到P1。t1和t2之间的时间t是固定的，

。打到P1的电场的速度的水平分量v3必然大于v1且小于v2，如果小于等于v1或大于v2，那么就无法撞击P1。也就是说，N2发出的电场，只有其速度的水平分量大于v1且小于v2才能撞击到P1，其它方向的电场是无法与P1相遇的。因为P1有一个水平方向的运动v2，电场E作用到P1时势必减弱。又因为电场E的水平速度小于v2，所以在P1看来，仿佛电场是N2从B''位置激发出来的E'，且电场强度变弱。

有趣的事情发生了。如果对异种电荷P1和N2进行加速，那么电荷将在其运动的方向上多了一个额外的力。到底是谁对电荷做功呢？显然是电场对电荷做功了。那么电场又是什么？根据牛顿第三定律，即，物体的力和反作用力总是相等的，可以推断电场本身是一种暗物质，否则无法解析清楚谁对电荷做功，也无法解析电荷的反作用力给了谁。

如果两个同种电荷被连接在一起，然后做减速运动，那么电荷的受力情况是怎样的呢？

如图 3所示，P1和P2是同种电荷，当静止时，P1受到的力为F，方向垂直向上。如果P1和P2以减速度运动，那么在一定时间t内运行到A'和B'位置。B''是假设电荷以速度v3匀速运动的位置。电场传播是需要时间的，此时，P1在A'位置受到电场力实际上是P2在B位置激发出来的电场E产生的。P1存在减速度，在P1看来，仿佛电场是P2从B''位置激发出来的E'，所以，P1受到的力为F'（减少了），方向朝右上方。

如果P1和P2之间的距离为L，减速后运动速度为v2=0，减速度为a，场传播速度为c，那么A和A'之间的距离d是固定的。也就是说，在时刻t1，P2激发的电场，必然在t2时刻打到P1。t1和t2之间的时间t是固定的，

。打到P1的电场的速度的水平分量v3必然大于v2且小于v1，如果小于等于v2或则大于v1，那么就无法撞击P1。也就是说，P2发出的电场，只有其速度的水平分量大于v2且小于v1才能撞击到P1，其它方向的电场是无法与P1相遇的。又因为电场E的水平速度大于v2，所以在P1看来，仿佛电场是P2从B''位置激发出来的E'，且电场强度变弱。

同样，如果是同种电荷做减速运动，那么电荷P1和P2都存在一个向右的额外加速度。这个加速度同样是电场赋予的。因此，不管是同种电荷和还是异种电荷，都可以通过减速或者加速获得一个额外的做功，这个做功就是暗能量的获取。换句话说，可以通过对电荷进行加速或者减速来获取暗能量。

下面开始谈论怎样才能有效地获取暗能量。

为了方便后续的描述，在这里先定义一些术语。

在场中运动的物体。观测者的运动速度不同，观察到的场强不同，场对观测者的作用不同。

场传播速度的一个分量，这个分量的方向与观测者的运动方向相同，使用Vt表示。

场切线速率与场传播速度速率之比，使用R表示。

场切线速度减观测者速，使用Vr表示。

场切线速率与场传播速度速率之比，使用Rr表示。

观测者观测到的与其运动方向一致的场强，数值上

，其中，E为观测者不运动时观察到的场强，c为场的传播速度。

为了简化问题，现在假设两个异种电荷被连接在一起，速度从0开始做加速运动。

如图 4所示，电荷从速度0开始以速度a进行加速运动。当运行一段时间t秒，电场到达A'，这时P1受到的电场力为F'，方向朝右下方。假设电场的传播速度是c，那么可以近似推导F'的水平分量公式。

故，相对电场切线分量比等于：

公式1

如公式 1所示，因为加速度a不可能很大，L也不可能很大，所以Rr值很小，电场力F'的水平分量小的可怜。因此，想开发和利用暗能量相当困难。现在看能否积少成多。

现在先看看圆周运动情况如何。

把异种电荷P1和N2安装在一个圆盘上，圆盘顺时针旋转。

如图 5所示，A和B处分别是异种电荷P1和N2，在一定时间t内运行到A’和B’。圆半径是r，AB的长度L，∠BOB’=∠AO’B’大小为θ，角速度ω，P1和N2的线速度为v。

现在推导电场在A’和B’的相对切线场强。

也就是说，如果两个电荷静止时相互间的库仑力是1牛顿，那么当转速达每秒100转时，每个电荷获得切线方向的额外的力为2微牛，总受力4微牛。

从以上推导可知，如果提高角速度ω，那么可以获得较大的切线分量；遗憾的是，物体转速是有极限的，不能无限增大，速度越高，摩擦越大，损耗越大。

另外，减低c值也是一个选择。使用高折射率晶体隔开电荷，从而降低c值，这依赖材料科学的发展。

第三个选择是加强电荷之间的相互作用力。

第四个选择是在圆盘上装满电荷对，通过积少成多的方法来获得较大的切线力。

下面讨论电荷之间是否存在相互削弱的情况，如果不存在，那么积少成多的方法是可行的。

把异种电荷放在圆盘的同一面上，研究他们之间的相互作用。

如图 6所示，异种电荷分布在两个同心圆上，圆心为O，A和B位置分别是异种电荷P1和N2，C和D位置分别是异种电荷N1和P2，A、C位于大圆的弧上，C、D位于小圆的弧上，大圆半径为r1，小圆半径为r2，∠COA大小为θ。圆盘顺时针转动，角速度ω，经过特定时间t1，P1和N2运行到A’和B’，经过特定时间t2，N1和P2运行到C’和D’。图中，绿色线表示产生顺时针力矩的电场线，红色线表示产生逆时针力矩的电场线。

电荷N1在C位置激发电场，经过t1时间穿过A’，电荷P1在A位置激发电场，经过t2时间穿过C’。显然，在N1观察到A激发的电场速度大于P1观察到的N1激发的电场，因此N1受到P1的吸引力大于P1受到N1的吸引力。因此，圆盘增加了一个额外的顺时针力矩。

同理可以推导处P2受到N2的吸引力大于N2受到P2的吸引力。因此，圆盘增加了一个额外的顺时针力矩。

从图可以看出，N2对N1的作用是红线，即降低圆盘的转速，P2对P1的作用是绿线，即提高圆盘的转速。到底哪个作用大一点呢？

P2观察到P1电场的切线场强分量（逆时针分量）推导：

N2观察到N1电场的切线场强分量（顺时针分量）推导：

因为电场与距离平方成反比，故

N1在B’处激发的电场（顺时针）除以P1在D’处激发的电场（逆时针）：

逆时针减去顺时针的分量比差：

因此，逆时针的分量大，P1对P2的作用大于N1对N2的作用。

同样可以推导，N2对N1的作用大于P2对P1的作用，逆时针的分量大。

同样，经过推导，发现P1对N2和N2的P1的作用都是顺时针作用，和为

同样，经过推导，发现N1对P2和P2对N1的作用都是顺时针作用，和为

经过以上推导可知，同一面上相邻两个同心圆上的电荷存在吸引也存在排斥，会增加顺时针力矩也会增加逆时针力矩，他们之间的作用相互抵消。在同一个圆上的异种电荷之间的相互作用会增加顺时针力矩。因此，在同一平面上，可以在不同的同心圆上交错地放置异种电荷，不会阻碍圆盘的转动，这样就可以实现积少成多。

以上推导都是使用电场来进行的，但是电场不好实现，磁场更好实现。下面展示一个理论上可以抽取暗能量的装置。

图 7是使用永久磁铁来获取暗能量的示意图。因为积少成多是可以的，所以在圆盘上交错地排列着磁铁，然后顺时针转动就可以获取到暗能量。根据推导可知，场强越强，获得额外力矩就越大。如果想获取更强的磁场，那么可以考虑电磁铁，不过要考虑损耗的电能多还是获取到的暗能量更多。

图8是一个最简单的磁动机，由转动磁铁和固定磁铁构成。转动磁铁在A和C受到的磁场力是不相等的。转动磁铁是观察者，在A时，转动磁铁向着固定磁铁运动，因为他的运动方向迎着磁场的传播方向，所以他观察到的结果是磁场变强了，受到的吸引力增大，大小是：F* (1+v/c)，其中，F是他在这个位置不动时受到的磁场力；在C时，转动磁铁远离固定磁铁，因为他的运动方向与磁场的传播方向相同，所以他观察到的结果是磁场变弱了，受到的吸引力变小，大小是：F* (1-v/c)，其中，F是他在这个位置不动时受到的磁场力。在B时，他观察到一个横向的磁场，所以他受到一个横向的磁场力，大小是：F*v/c，其中，F是他在这个位置不动时受到的磁场力。从以上分析可知，v速度越快，额外受力就越大。我把这种效应叫做“观测效应”。

本文已经比较系统地介绍了如何获取暗能量。由于场传播速度很快，导致获取暗能量比较困难，但是，至少理论上可以获取暗能量。是否能够顺利地获取暗能量离不开实验的不断改进。下一步，本人将探讨如何利用暗能量来实现无工质推进。

本文存在错误的地方，如果弄懂我写的《场子论》就会发现。

Ⅳ 宇宙里的神秘力量：暗物质与暗能量

大家好，我是崔哥

点击此处可观看完整视频

如果仅仅依靠人类已知的物质，世界根本不应该是现在这个样子，一定有别的神秘力量在起作用。

我们原来认识的宇宙形态，是星球之间通过万有引力相互吸引，围绕着对方旋转。但后来，科学家通过计算星球之间的引力，发现星球自身的这点引力，是远远不能维持一个个完整的星系。在过去，我们一般认为宇宙，就是由恒星、行星，星系组成的。但是科学家们经过研究发现，这些物质只占宇宙总物质的0.4%。即便是算上黑洞，以及星际之间气体，也只不过占宇宙总质量的4%左右。那剩下的宇宙成分中，神秘物质约占23%，而神秘能量约占73%，这些神秘物质本身不发光，也不和光产生作用，不参与电磁力，所以到目前为顷汪止，我们都没有发现这种物质，它只存在于理论框架中，因此科学家称之为“暗物质和暗能量”。

最早发现证据，并推断出暗物质存在的是，荷兰科学家，扬·奥尔特，他在1932年，根据银河系恒星的运动，提出银河系里面，应该还存在更多的质量。 1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基，研究后发座星系团时，使用维里定理推断出，星团内部有看不见的物质。 但当是没有把它叫做暗物质，而是被称为丢失了的质量。在这之后，还有很多的天文学家，在观测时，都发现在宇宙中存在不明物质。

2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-558进行观测，无意间观测到到星系碰撞的过程，星系团碰撞威力非常的大，将暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。

科学家通过计算，要保持现在宇宙的运行秩序，“暗物质”的品质必须5倍于我们现在看到的物质。但现在还没有真正的监测到暗物质，只是发现光线在经过某个区域时发生转弯，但是该区域没有我们唤圆能看到的物质，也没有黑洞。科学家通过观测发现，我们的宇宙正在加速膨胀。如果匀速膨胀，还可以理解。但加速膨胀，就需要有新的能量的加入。但科学家并不清楚它是什么，所以把它叫做“暗能量”。

科学家通过计算，通过质能方程式计算，要维持当前宇宙的这种膨胀速度，“暗能量”必须是现有物质和暗物质总和的一倍多。

什么是“量子纠缠”？科学实验发现，两个没有任何关系的量子，会在不同位置出现完全相关的相同表现。比如相隔几光年远的两个量子之间，，一个出现变化，另一个几乎也同时出现相同的变化，而且这不是巧合。

“量子纠缠”是经过实验证明过的。科学家已经实现了6-8个量子的纠缠态。中国科学家已实现了13公里级的量子纠缠态的拆分和发送。我们现在所有的物理学理论，都以光速不可超越为基础。但根据测定，量子纠缠的传导速度，至少4倍于光速。为什么会出现这种情况，科学家们也无法理解，于是把这种现象总结为，量子的一种纠缠态。由于暗物质既不释放任何光线，也不反射任何光线，因此，用目前人类已知的仪器，也无法直接探测到它。

根据科学家们的理论，暗物质通常也不会与大多数常规物质结合。但暗物质能够直接穿越人体，房屋，甚至是轻松就能穿过地球，于是科学家开始在地下建设实现室，寻找暗物质粒子存在的证据。为什么要把实验室建在地下。

因为在足够深的地下，除了暗物质。其他物质是无法到达的，探测器的原理，是由锗元素或硅元素组成的小块。如果锗或硅原子的原子核被暗物质粒子击中，它就会反弹并向探测器发送一个信号。2009年12月，美国“低温暗物质搜寻计划”项目组，发表声明称，他们在明尼苏达州地下一个矿井中，捕获到暗物质粒子。如果这一发现最终得到证实，它将成为近百年来物理学领域，最重要的发现之一。

中国四川省锦屏暗物质实验室，位于地下2500米，是目前世界上最深的暗物质试验室。该实验室最核心的装置，就是高纯锗探测器。

传统高纯锗探测器被广泛应于在基础研究、核监测、和放射性管理等领域。但要探测暗物质，对锗的纯度要求更高。它的纯度有多高呢，我们都知道千足金，它的纯度是纯度为99，9%，但是实验室需要的锗，纯度要达千足金纯度的4倍。

地球上另一种探寻暗物质的实验，就是粒子加速器，它的全名叫荷电粒子加速器，它可以将亚原子粒子加速到接近光速，然后让它们相互碰撞。科学家们的目的是希望，通过接近光速的高速碰撞，从而产生奇异粒子，其中就和乎塌包括暗物质粒子。

2015年12月17日中国发射暗物质粒子探测卫星，名叫悟空号，，用于探测暗物质，它由中科院研制。是目前世界上观测能段最宽、能量分辨率最高的空间探测器。它能接收到，来自宇宙的高能原子核、电子和伽马射线的信号，观测能段是阿尔法磁谱仪的10倍，能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

因此，中国已经建成地下，地上和空中，三位一体的暗物质监测实验室。在暗物质方面的研究，在世界范围内已经保持领先地位，进入21世纪以来，全世界的科学家们都达成一个共识，就是研究暗物质，是21世纪的重中之重，谁掌握了暗物质，谁就将引领科学的发展，在这里也希望我的祖国，在暗物质方面的研究取得巨大成果，就像探测卫星的名字，悟空一样，用火眼金睛发现暗物质，用超强的本领取得真经，让我们拭目以待

点击此处可观看完整视频

好了，今天就聊到这里，我是崔哥，我们下期再见。

Ⅳ 捕捉宇宙“黑势力”——暗物质与暗能量探测

出品：科普中国

制作：缪子文化 崔二亮

监制：中国科学院计算机网络信息中心

众里寻他千网络。蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。

——辛弃疾《青玉案·元夕》

关于暗物质和暗能量的研究由来已久，自19世纪末期20世纪初期“暗体”的概念提出至今，作为可能占宇宙绝大部分质量的存在，我们又是如何对它们进行探测的呢？

暗物质和暗能量或占宇宙绝大部分质量

许多大尺度和精确的天文观测表明，宇宙中存在大量的暗能量和暗物质。通过对比发光物质、X射线示踪和引力透镜构建的质量分布，发现引力透镜构建的质量分布与星系分布重合，远优于前两种情况。这就表明，宇宙中存在大量“看不见的”物质。

遥远星系红移现象的精确观测表明宇宙膨胀过程的后半段是加速的。宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)的观测表明宇宙是平坦的，这意味着宇宙整体的物质密度近似等于宇宙大爆炸理论中提出的临界密度。但是，把现有暗物质和普通物质的观测总量加起来远不够这个临界密度，这就需要有额外的物质即暗能量来贡献额外质量。

宇宙大尺度质量密度的傅立叶谱也支持暗能量存在的假设。由欧洲空间局(European Space Agency, ESA)2009年发射升空的普朗克卫星在2013年传回的最新的各向异性的宇宙微波背景辐射图以目前能达到的最高精度显示，整个宇宙的质量能量成分为：4.9%的普通可见物质，26.8%的暗物质以及68.3%的暗能量。这意味着，暗物质占物质总量的84.5%，而暗能量和暗物质加起来占整个质量能量成分的95.1%。也就是说，对于占宇宙绝大部分质量的暗物质和暗能量，我们竟然毫无知觉！

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。