来源：科学大院微信公众号
昨天（2017年10月18日）一早，大院er们早早备好小板凳，准时收看了中国共产党第十九次全国代表大会开幕式。
中共中央总书记习近平在开幕式上发表了讲话。在提到创新型国家建设成果丰硕时，习总书记特别用“天宫、蛟龙、天眼、悟空、墨子、大飞机等重大科技成果相继问世”来举例子，进行了说明。
当时大院er们都不由自主得挺直了腰板，鼓起了掌！
为什么呢？因为这些成果的背后，都站着科学人的身影！“中国天眼”、“悟空号”暗物质粒子探测卫星、“墨子号”量子科学实验卫星3项成果全部由中科院完成；中科院还是天宫二号的主要承担单位，在“蛟龙号”载人潜水器研制中发挥了关键作用。此前几乎都曾做过深入科普，现在大院er特整理出来，方便大家更好地了解。
一
天宫二号
天宫二号于2016年9月15日在酒泉卫星发射中心发射升空，是我国第一个真正意义上的空间实验室。2016年10月19日，神舟十一号载人飞船与天宫二号空间实验室实现成功对接。
来呀，陪“天宫二号”清点科学装备呀！
北京时间9月15日22时04分（也就是今晚），一个名叫“天宫二号”的科学达人即将从甘肃酒泉出发，开启一段忙碌而充实的太空之旅，听说Ta要去太空做实验。
出发前，让我们先来帮Ta一起清点一下，此行都要带些啥，要去太空做些啥。
装备1：一只“小蜜蜂”
这只“小蜜蜂”可不是普通的小蜜蜂，它的名字叫“天极”，是一台测量伽玛暴偏振的望远镜，将在宇宙中不间断地探寻恒星“生命之花”——伽玛暴的秘密。详情见： “天极”：偏爱伽玛暴的小蜜蜂
装备2：一把“量天尺”
对于科学达人来说，做实验时，各项参数的精确度最重要了，这不，这次“天宫二号”就带了一把在太空中测量时间最精准的“量天尺”——空间冷原子钟，它的精度达到了3000万年才会有1秒误差的程度，是不是很厉害？想了解更多，戳这里：超高精度空间冷原子钟，这是一台什么“钟”？
装备3：一个“炉子”
上太空带个“炉子”做啥子嘞？莫非是用来取暖的么？当然没有那么简单。这“炉子”是用来给18种实验材料加热的，据说，它比当年太上老君的八卦炉还高端，它在真空环境下加热到最高950℃的膛温，只需要不到200W的功耗，高效节能啊有木有？想进一步了解这“炉子”的，移步这里：上天的炉子，亮点在哪里？
装备4：一台了不起的“相机”
旅行当然少不了拍照，这次，“天宫二号”就带了一款相当尖端的“相机”——宽波段成像光谱仪，它的功能相当强大，既可以拍可见光图像，红外图像，还可以完成光谱成像以及偏振成像。关于它的更详细内容，请关注科学大院（ID：kexuedayuan）接下来几天的内容。
装备5：环境监测装备
它的全称叫“空间环境监测及物理探测分系统”，可以实时监测“天宫二号”轨道上的辐射环境和大气环境，实现16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测，以及轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。具体情况，明天讲给你听。
装备6：海洋监测装备
这是一台三维成像的微波高度计，它既可以获取海面的三维成像，还可以测海平面高度和海洋深度，去外太空为啥要带上这家伙？看这里：太空中测量海平面？交给微波高度计吧。
除了上述装备外，和“天宫二号”一起踏上旅途的还有：
一个“小伙伴”——伴随卫星
说起这个小伙伴，真真是不简单，它既可以陪伴“天宫二号”左右，如影随形，又可以帮助“天宫二号”监测“敌情”，还可以充当摄影师，给“天宫二号”和好朋友“神舟十一号”拍合影，这么棒的小伙伴，还不快快来了解下：这颗伴星不简单
一堆牛气冲天的材料
此次“天宫二号”的一个重要活动就是要在微重力环境下进行一系列材料实验。听科学家说，太空微重力环境有地球上无法比拟的材料制备和测量优势。这次都带了哪些材料呢？看这里看这里看这里：那些未来世界的“英雄材料”
“粮食和蔬菜”
要想太空旅行，没有食物补给肯定是难以成行的，所以，我们的“天宫二号”科学达人这次特意挑选了两种非常具有代表性的植物——水稻和拟南芥带在身上，打算去体验一把“太空农场”。至于为何选择这两种植物？同样的，且听大院er未来几天的后续分解。
说到这里，有没有觉得“天宫二号”这次太空之旅内容相当丰富呢？
先别急着惊叹，因为我们的猛料还没说完。除了探索宇宙最深处的奥秘、进行材料实验、高等植物培养实验外，“天宫二号”还有如下的两项非常非常高大上的实（试）验。
新技术试验
就在上个月，世界上首颗量子通信卫星成功发射（咱中国的），这是通信安全的重要进展。而这次，“天宫二号”携带的“量子密钥分配试验空间终端”，目标是为实现世界上首个基于载人航天空间平台的空-地量子密钥分配演示实验。为载人航天的空地间量子保密通信，以及未来的实用化天地一体广域量子保密通信网络建设打下基础。人类在通信的保密性和安全性上是如何一步步发展的？不妨来了解一二：天机不可泄露：量子密钥分配
微重力流体实验
据说，“天宫二号”要在太空搭一座桥，而且是用液体来搭，用来研究微重力下热毛细流动现象。这究竟是一座什么桥？在太空和在地球有何不同？戳这里：液桥是座什么桥？居然要在太空搭！
好了，装备已齐备，可以出发啦，让我们预祝“天宫二号”一路顺风！
刘琪制图
二、
蛟龙号
“蛟龙号”是我国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器，它的研制成功标志着我国跻身载人深潜先进国家行列，在深海矿产资源勘探和深海科学研究中将发挥开拓者作用。中科院在“蛟龙号”载人潜水器研制中发挥关键作用，完成了“蛟龙号”三大国际领先技术中的两项攻关任务（声学系统、控制系统）。
巨型海参自投“蛟龙号”罗网，大块头的家伙究竟有多神奇~
蛟龙号
2017年5月23日，国之骄傲蛟龙号带着探查海洋生物、采集深海样品的任务再入深海，首次下潜世界最深处的马里亚纳海沟。
这次下潜作业，可谓收获良多，在采集的众多深海样本中，一只体型巨大的紫红色海参吸引了好多人的目光。这只海参逃脱过程中不巧撞上蛟龙号的机械手，自投罗网，心疼它一秒。
蛟龙号捕获的巨型海参
对于海参，我们并不陌生，一般的海参体长在10-20cm，然而，蛟龙号捕获的这只海参长达35cm，堪称巨型海参。
其实，人们在世界各处发现过很多体型远超于一般水平的动物，比如体型大于青蛙的蚊子，重达27斤的金鱼……不胜枚举。我们对于动物的体型都有普遍的认知，它们绝大多数总是在一定的水平内波动，然而，自然界总是给我们很多意外，总有一些个体不走寻常路，体型意外地大。
这些神奇的动物在一次次刷新我们对这个世界的认识，不知你是否也忍不住思考：动物的体型究竟被哪些因素影响，体型和生存又有什么样有趣的关联呢？
我们都知道，基因和生长环境共同决定了动物的体型，基因是内因，是体型大小的根本，生长环境是外因，可以对体型进行微调。
我们常说“瘦死的骆驼比马大”，生而为骆驼，它的体型便注定比马要大，这在很大程度上受控于基因。我们知道，细胞是构成生命体的基本单元，细胞的大小和数量在本质上决定了动物体型的大小，而细胞的大小和数量都由基因调控，c-myc基因可以调控细胞的数量，dS6K基因可以调细胞的大小。
科学家们在果蝇身上做实验后发现，果蝇在细胞变小之后，身体的各个部位会成比例缩小。然而，二者相较，科学家发现细胞的数量较细胞体积对动物体型的影响更为显著。即便差异很大的物种，细胞的大小通常都在一定的范围内波动，直径一般在10-20微米，而细胞的数量动辄便相差成千上百万、甚至上千万倍，比如成年大象体内的细胞数约为10^16个，而成年老鼠的细胞数仅有10^9个。
虽然基因已经注定，环境仍然对动物体型起着不容忽视的作用，气候条件、营养状况在很大程度上决定了基因的调控能力在什么样的程度上被呈现。营养，我们很好理解，毕竟营养物质是细胞形成与生长的能量来源，没有营养的供给，谈何生长。而气候条件，乍听上去与体型似乎并未有太多的关联。可是，科学家基于大量的数据统计后告诉我们，干燥地区的动物体型大于相对湿润的地区，寒冷地区的动物体型大于相对炎热的地区。
以我国不同省份的人体平均身高为例，山东、北京、黑龙江、辽宁、内蒙等年均温度低、年平均日照时间长的省份，人体平均身高较高；而云南、湖南、广西等年均温度高，降雨充沛的省份则人体平均身高比较低。气候的差异主要通过影响动物体内的新陈代谢而影响动物体型，例如日光丰富的环境，更有利于钙的吸收，可以促进骨骼的生长，低温地区动物性成熟晚，生长时间长，体型便更大。
巨型动物的出现，不断刷新着我们对于动物体型的认知，但是若问动物体型是否有极限，答案似乎是肯定的。首先，动物的体型是由基因决定的，蚂蚁的基因决定了蚂蚁不会长得如同大象一般。第二，虽然体型大显而易见地会造成很多竞争的优势，庞然大物的体重优势使得它们在搏斗中占有更大优势，更易获得食物，然而，过大的体型也会对动物造成很多不方便，甚至威胁到它们的生命。
这可不是危言耸听，动物的体型可是和它们的灭绝有着深刻的关系的。
有一个特别有意思的概念叫“小人国效应”。距今6500万年前的白垩纪—第三纪之交大灭绝，是地球上发生的第五次生物大灭绝，这次生物大灭绝使得恐龙时代终结。在这次灭绝后，许多幸存的动物门类呈现更加小型化的体态特征，这被称为“小人国效应”。而距今大约3.59亿年前的泥盆纪大灭绝同样缩小了动物的体型。
小型动物相较于大型动物，为何能更顽强地生存下来呢？或许这是因为，体型小的动物往往生长和繁殖得较快，从总体上来看，它们可以在被食肉动物猎杀之前就繁殖出下一代。而繁殖，才是动物得以生存的根本，把自己的基因遗传下去，才是所有生命体的终极梦想。
虽然动物不会无限地生长下去，但是自然界仍有很多环境我们还未涉足，我们对于动物体型的想象力总会被不断出现的巨型动物所刷新，在各种出其不意中，感慨自然的奇妙。
参考文献
王学良，气候与恒温动物体型大小关系初探
熊葳，关于动物体型大小调控机制的探讨
曹克清，动物灭绝与体型的大小
三、
“中国天眼”——FAST望远镜
被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）由中国科学院国家天文台设计建造，2016年9月25日落成启用，已经宣布发现数颗脉冲星，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，将在未来20至30年期间保持世界领先地位。
FAST背后的那些人，那些事儿
无人机拍摄的FAST望远镜（图片来源：FAST官网）
在贵州省南部的平塘县，有处名叫“大窝凼”的洼地，那里坐落着我国，同时也是世界上最大的球面射电望远镜——500米口径球面射电望远镜，英文简称FAST。当地人亲切地称它为大射电，中科院大院里的人，则更喜欢戏称其为“大锅”。
不过，这口“大锅”可并非铁板一块，它的面板上布满了排水的孔，既不能烧水，也不能煮饭，而是帮助科学家们“倾听”宇宙深处的声音——太空天体的无线电信号的。听科学家们说，它投入使用后，至少可以领先世界二十年以上。
如今，FAST已经落成启用，从明天（2016年9月26日）开始，它将每天从早8点半到晚6点，接待来自四面八方的游客。
抚今追昔，从12户人家65口人甚至连电都不通的小村子，到如今世界知名的地球最大最灵敏“耳朵”，这其中，离不开一批批科学家和工程师们的努力和付出。
青春，热血
FAST的台址位于深山中，四周都是山，仅有一个几百米的山洞与外界相连，某种意义上来说，这里是真正的“世外桃源”。
这里离镇上很远，许多年前，这里还没有修建8米宽的大道，当然，也不像现在这样通有运营班车，在FAST台址和镇上之间来往，需要跋涉几个小时的山路。
而且，FAST 周围5公里是无线电静默区，这里禁止使用任何电子设备，没有WIFI、手机、电磁炉，电脑只能有线上网。
而就是在这样的环境下，从1994年FAST选址工作启动，到2011年正式开工建设，再到今天FAST工程落成竣工，很多人在这里一待就是七八年，甚至十几年，从青年走成了中年，人生中最美好的年华，都和FAST这口“大锅”紧紧联系在了一起。
忘我，牺牲
如果你有幸走进现在的FAST工程施工工地，你会看见很多年轻的面孔，这些面孔都是FAST的建设者，他们来自天南海北，五湖四海。他们远离家乡，远离亲人到这个地方为FAST建成而努力着。现场没有所谓周末，并不是领导不给放，而是人们觉得有工作要做，要完成，所以自发的留下来。
令工作人员印象最深的，是现场有一位年轻的爸爸，有一天他收到老婆从家发过来的视频，视频的内容是自己的孩子会走路了，当时他脸上流露出幸福的笑容，那种幸福是无可替代的，可是，他却只能通过视频看到。
而一位刚刚毕业来FAST工作的男生，老婆生孩子却只回家照顾了一周，一周后只在周末有空的时候才会跟班车回去两天。多数时候甚至周末都无法回去。
还有一位来自东北的年轻姑娘，研究生毕业便来到FAST工作。她选择在贵阳定居，却工作在FAST现场，刚成为妈妈不久的她，便远离自己的家庭，离开自己的孩子，长期奋战在FAST建设第一线。
为了保证FAST建设如期进行，这些年轻的爸爸妈妈们牺牲了对孩子的陪伴，无法亲自见证孩子成长中的每一次重要时刻。
FAST现场的亮丽风景
现场对于男同胞们，已经算是条件艰苦了，更为难得的是，FAST还有一道亮丽的风景线，就是现场的女员工。
二十多岁的年纪，正是女孩子们花枝招展，最注重自己外在形象的时期，而在这个五公里范围内都没有居民居住的地方，生活用品的购买都是一个不小的问题，更别说女生们爱吃的水果零食，喜欢的各自护肤保养，华包美衣了。不过所幸，每周都会有车从贵阳来到FAST现场，来的人会顺带给大家带些吃的用的过来。
一群人，同一个目标
在这里，如果不仔细询问，哪些人是研究员、副研究员，哪些人又是工程师或者普通的工作人员，你压根是看不出来的，因为所有人都会亲自扛上设备，爬上爬下地工作着。于是，在这儿，你可以看到研究员自己开着拖拉机战斗在前线，也可以看到有的研究员带着安全帽，系上安全带自己亲自去安装接收机；甚至还可以看到副研究员自己给传输路线布线。
FAST的这群建设者们，无论身份如何，级别高低，都不顾外界的条件，不顾自身形象，一心一意地为了同一个目标在努力工作。
题外：一只名叫憨憨的“神犬”
闲暇时间，现场的工作人员是怎么娱乐的呢？除了饭后散步之外，最大的乐趣可能就是逗弄被称之为“神犬”的憨憨了。
憨憨是一只天生就没有尾巴的小土狗，之所以被称为“神犬”，是源于欧洲杯期间的一系列“神预测”。
2008年的世界杯“预言帝”章鱼保罗，相信大家都听说过，而在今年欧洲杯期间，憨憨在FAST现场也成了神奇的“预言帝”。
工作人员准备了写有欧洲各国名字的卡片，在每一场比赛前，他们把将要对战的两个国家的卡片放在地上，然后在每张卡片上放上一模一样的食物，然后让小狗憨憨选择，看它会吃掉哪个卡片上面的食物。
在FAST的工作人员看来，憨憨与保罗的预测实力相比有过之而无不及，唯一让大家哭笑不得的是，憨憨的预言往往是与比赛结果相反的，它每次都能准确地吃掉将要输球那一队卡片上面的食物，从未“失手”。
当然了，说是让憨憨预言，其实年轻的球迷们还是只相信自己的判断，不过，憨憨的相伴，对于单调又清苦的山中生活来说，却也带来不少乐趣。
四、
“悟空”号暗物质粒子探测卫星
我国暗物质粒子探测卫星“悟空”于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心成功发射，是中科院空间科学战略性先导科技专项首批立项研制的四颗科学实验卫星之一，是我国第一颗完全由中科院研制、生产的卫星，也是我国空间科学卫星系列的首发星。
“悟空”号首席科学家：科学家如何探测暗物质？
口述：常进（中科院紫金山天文台）
整理：科学大院（ID：kexuedayuan）
常进：中科院紫金山天文台副台长，研究员，中国暗物质粒子探测卫星首席科学家（资料图）
今天很高兴有机会在这里，把暗物质的情况给大家分享一下。给大家简单介绍一下什么叫暗物质，暗物质是怎么发现的，相关的构成，以及如何探测暗物质，国际目前最新的探测暗物质的情况是什么样的等。
暗物质
的发现
我们是天文观测者，唯一的特长是用望远镜去观测。所有的问题，我们都希望能通过望远镜看清楚，希望通过物理的探测，研究它物理的本质。
打个比方，我们的工作就像人口普查，只不过为了弄清地球上人口的分布情况，我们可能是通过造一个望远镜到天上去，晚上来观测地球表面的发光情况，根据光亮的大小，把人口估算出来。
可是没有亮光，是不是就没有人呢？通过发光的方法研究人口，其实不一定准确。
回过头来，我们讲暗物质的发现。
测量物质的分布，其实跟刚才一样，也可以通过发光的方法。消除了距离的不确定因素、发光的多少、强度的大小，就可以把整个天体的质量大概的估算出来。
我们把这个问题引入到更宏观，测量天体的质量。其中一种方法是测量天体的发光度，根据发光的强度算出来发光物质的质量。还有一种方法，根据万有引力定律，测量物质的质量或者天体的质量，即是去测量速度和距离的关系，把速度和距离测出来了，天体的质量就可以测出来。
人造卫星绕地球转的时候，把人造卫星到地球的距离测出来，人造卫星在该距离上的速度测出来，地球的质量就测出来了。卫星离地球远的时候，速度会慢下来，离地球近，速度会很快。当我们观测到如果人造卫星离地球很远的时候，它还保持那么高的速度的话，人造卫星肯定要跑出地球，进入太阳系。如果速度再大，它就可能飞出太阳系。
暗物质
概念的提出
上世纪三十年代，瑞士天文学家Fritz Zwick在研究Coma星系团的时候发现星系团中的星系弥散速度非常大，根据维里定理计算出的星系团的总质量要远大于根据发光度计算出来的星系团质量。也就是说星系的运动速度太快了，仅靠星系团中的发光物质是束缚不住速度如此大的天体的。他推测星系团中存在着大量不发光的物质，并称之为暗物质。
小朋友弄一个球，绕着绳子转，转的速度越来越快，球肯定要飞出去，道理是一样的。
当时测量星系的速度，光谱仪的测量精度还不是很高，尽管他当时提出了暗物质的想法，但是并没有得到大家的认可，大家认为有可能是系统误差，测不准。
过了三四十年，到上世纪70年代，美国有一个女天文学家Vera Rubin（她除了诺贝尔奖外，已经得到了物理学上所有的奖）。她当时观测速度采用的是世界上最先进的光谱议，测量的误差很小，也就是说测量技术没问题。
她观测的不是星系团，而是星系里面恒星和其他星际物质的旋转速度，根据万有引力定律，随着距离的增加，速度往下降。但是她发现实际观测中，距离增加时，速度并没有往下降，跟万有引力相差比较大。
星系里面这些物质的旋转速度太快了，光靠发光物质的引力无法将恒星束缚在星系里面。如果质量的分布就是发光物质的分布的话，这些物质早就跑到星系外。现在没有这样，这说明星系里面必然存在大量的看不见的物质，也就是暗物质，其产生的引力才能将这些物质束缚在星系里。
这个就是暗物质的概念。从上世纪70年代开始，渐渐得到了人们的认可。
这位女天文学家早期研究的是星系成群还是随机分布。现在我们知道，存在大量的看不见的暗物质，首先形成网，像引力井一样，可见物质掉到引力井里面，渐渐形成了恒星、星系、星系团，星系团肯定是成团分布的，宇宙网的基点上是星系团。
这些认识现在得到了大家的认可，但是在上世纪50年代，她博士论文中的这个结论，却15年没有得到认可，因为按照当时的理论分析，星系应该是随机分布的，均匀分布的星系是不会成团分布的。
银河系里面的恒星有四大旋臂，这些恒星都在臂上，并不是在星系里面均匀分布，也是成群、成团的分布。现在这些问题很容易解释，在那个时代，还没有人发现。研究星系旋转曲线，得到了暗物质概念，基本上她算成功了。
其实，她发现暗物质之前，一个丹麦天文学家早就发现了银河系里面的恒星旋转，其速度并没有随着距离的增加而降低，而是保持不变。但他认为可能是测量的问题，可能是系统误差，他尽管发表了，但是没去解释暗物质，从其他方面去解释的。
这告诉我们，在研究过程中，一些看似不起眼的蛛丝马迹，很可能会导致重要的发现。对一些特殊的现象，要深入的研究，而不是简单的把它放过去。
我们再看太阳系。按照发光物质的分布，太阳与银河系的中心大概是8KPC（编者注：KPC，千秒差距，天文学上量度距离的单位，1KPC等于一千个秒差距或者3260光年）的距离，推断出来的速度是每秒160公里，而最新的测量数据是每秒240公里。也就是说，理论上发光物质的分布得到的速度要高50%，太阳系必须存在大量的看不见的暗物质，否则太阳就飞出银河系。
刚才是旋转曲线，人们认为牛顿的万有引力定律，可能在宇宙学的尺度上存在问题，要得到距离和速度的关系，我们可以通过修改万有引力定理得到曲线。
星系发光物质的分布，当然可以通过钱德拉望远镜把它观测出来。
研究两个星系的质量分布，我们还可以通过另外一种方法，引力透镜。
今年年初引力波很轰动，根据爱因斯坦的广义相对论，光线在引力场中不是沿直线传播的，而是会有一定弯曲。根据光线的弯曲的大小，可以把质量分布测出来。
两个星系团碰撞时，暗物质不发生相互作用，有没有物质，产生的速度一样。但是普通物质和普通物质之间存在着相互作用，所以它走的慢一点。这样就形成了一个只包含暗物质的区域，这样的观测结果是无法用修改引力的方法很好的解释的。
世界上没有一个容器能把暗物质装起来，暗物质与普通物质不发生任何相互作用，任何东西都挡不住暗物质。想把它抓住，不可能，它会从你的身上溜走。这种观察技术出来以后呢，基本上暗物质越来越受到大家的认可。
宇宙中95%的是看不见的物质——暗物质和暗能量，其中暗物质占宇宙的总能量密度的27%，人类只弄清了宇宙的5%（即可见物质）。
根据当前的观测技术，基本上可以把暗物质的物理性质统计出来，不发光，密度大。可见物质是5%，暗物质是可见物质的5倍，27%。暗物质寿命长，它来自于宇宙大爆炸，现在已经138亿年，如果暗物质的寿命很短的话，它早就衰变了，不存在了。
由于标准模型中的所有基本粒子，人类已经发现了，所有的基本粒子我们都找到了，没有一个基本粒子与暗物质粒子相匹配，标准模型中所有的粒子都不满足这些性质。也就是说，如果我们找到了暗物质粒子，它肯定不在标准模型里面，这也就意味着现有的标准的物理学模型会得到突破。这也是为什么暗物质这么热。
宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的，这是爱因斯坦讲的，他完成了广义相对论，说出了这一段话，通过广义相对论，他认为能把整个宇宙了解了。但是他把这个话说早了，现代宇宙还没有完全理解，因为暗能量和暗物质还没弄清楚，宇宙到现在为止，还是不可以理解的。
暗物质
的探测
现在是一个探测暗物质的时代，把暗物质弄清楚，肯定会导致物理学革命。
怎么探测呢？有三种方法。
第一种是在加速器上模拟宇宙大爆炸。
加速器探测就是通过高能粒子碰撞，模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子打出来，然后去探测，这比较容易理解。
人们弄清楚了高能粒子都是可见的，通过可见的高能粒子碰撞，产生看不见的暗物质粒子。
世界上最大的加速器在瑞士，有两个大的实验装置，一个是ATLAS，一个是CMS，这两个设备都耗资10亿元以上，用来探测最高能的基本粒子。在暗物质问题上，已经工作了五六年了，还没有取得任何革命性的进步。对暗物质不同的模型，提出了一些限制，但是没有根本性的找到暗物质粒子。
第二种方法，在地下直接探测。即在地下直接探测暗物质粒子与普通原子核碰撞产生的信号。
暗物质粒子和普通原子也许会存在碰撞，就像两个小球碰撞一样。暗物质不可见，但是暗物质和普通的原子核碰撞以后，普通的原子核会动起来，如果原本静止的原子核动了一下，就可能是暗物质碰撞引起的。这种方法就是通过探测暗物质粒子与普通原子核碰撞产生微弱信号来探测暗物质粒子。
为什么要到地底下去呢？
我必须把本底加上。
其一是我们的地面上，使用的一般材料里面都有很微量的放射性元素，这些放射性元素衰变的时候，发出的能量范围和暗物质粒子碰撞范围一样。
其二是宇宙线，天上随时随地有大量的高能粒子飞到大气里面，高能粒子和大气作用，产生大量次级粒子，这些次级粒子也是暗物质粒子探测的本底。
把宇宙射线本底屏蔽掉，必须放在地底下。放的越深，宇宙射线产生的本底会越低。这种实验很热，韩国、中国台湾都有这样的实验去探测暗物质。
我们国家将在锦屏山地下建世界上最深的地下实验室来探测暗物质。我们国家的实验室深2500米。它不是往地底下去，而是在高山打隧道，在隧道里面建实验室。在四川的锦屏山雅砻江，为了建这个实验室，打了一个隧道，穿过锦屏山。
如果我们要探测暗物质跟原子核的碰撞，现在有三种物质可用于实验，一种是半导体硅，让硅原子和暗物质碰撞。另一种是氙气，氙是惰性气体，大气里面会存在微量的氙。还有氩。
假设暗物质的质量是120个氢原子核，一个人是50公斤，每秒钟是5亿个暗物质粒子穿过你。如果是一个GeV呢，提高10倍，每秒钟有50亿个暗物质粒子穿过你。不要害怕，如果穿过你，和你发生影响了，我们早就探测到暗物质粒子了，现在探测不到就是因为它和你没有发生任何相互作用，我们找不到。
探测方法有两种，一种是时间调制法，一种是事例搜寻。
地球绕太阳转是圆圈，太阳绕银河系也在转。从银河系里面假定一个暗物质风，不停的吹出来。春天，暗物质风和地球运动的方向是一致的。秋天是相反的，绕了一圈，有时跟暗物质同向，有时跟暗物质反向。
这就好比如果你和人群是同方向运动时，你每秒钟碰到的人数基本上不变；如果和人行的方向相反，不停的碰到不同的人。因为你碰到的暗物质粒子一年四季不一样，会看到一个调制现象，春天多，秋天少。根据时间变化，我们可以找到暗物质。根据一年四季碰到的暗物质粒子的数目不一样，探测变化的曲线，这是时间调制法。
我们中国科学院高能物理所和罗马的几个大学合作，在意大利探测到了调制曲线。春天、夏天、冬天温度是变化的，湿度是变化的。由于温度湿度的变化，大气的变化，都会产生这些调制现象。调制究竟来自于暗物质，还是来自于一年四季气侯的变化，现在还没有弄清楚。
现在的实验做调制，是一个放在南半球，一个放在北半球。如果看到的调制是一样的，基本排除了细微的变化。
但是时间调制法需要很长时间，这个实验做了八年，到现在还没有得到认可，也许过一段时间，能得到肯定的结论。
我们刚才讲了，所有的本底来自宇宙射线和材料，通过材料、集团到地底下，把本体降为零，如果来一个信号，肯定来自暗物质粒子。无法区分的本底，通过探测器的技术把它区分开。原子核动一下是一个能量，把能量转变成光信号、电信号、热信号，通过探测光、电、热来探测暗物质粒子。也就是说，把暗物质粒子碰撞的原子核能量转变成光信号、电信号、热信号，通过光的变化、电的变化和温度的变化探测暗物质粒子。这是台湾在使用的技术，不是新的技术。要是把三种技术组合在一起，我们可以把暗物质粒子产生的反射原子核的信号和宇宙线本底区分开来，探测暗物质粒子。
把暗物质粒子碰撞原子核产生的信号转变成光、电和热信号来探测暗物质粒子。这样的我们有两个实验室，一个是清华大学的，把暗物质产生的信号转变成电信号探测暗物质粒子。另一个是上海交大的，是让暗物质粒子和大气里面的惰性气体原子核碰撞，原子核动一下会发光。把探测器加上强电场，通过探测光和电两个信号来探测暗物质粒子。
世界上那么多实验室探测暗物质粒子，目前为止，没看到具体的信号，只给出了一个下限。一般的探测器100公里内探测到，说一下100公里有多少原子，我可以把暗物质碰撞的概率算出来。这是一个截面，碰撞的概率，现在到10的负45次方，还没有找到它。人们认为再过四五年时间，把实验室做得更大一点，或许就能探测到概率更低的信号。
第三种是到空间间接探测。到空间去间接探测暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞以后，会产生看得见的粒子，通过探测这些看得见的粒子去探测看不见的暗物质粒子。我国去年发射的暗物质粒子卫星“悟空”就属于这一种，待会儿详细介绍。
天上的本底很多，天上的高温粒子太复杂了，什么样的高温低密度的都有，通过探测什么样的粒子能探测暗物质粒子？
首先想到探测反物质粒子，因为反物质粒子来自于原初粒子碰撞产生的次级粒子，也就是原初粒子，与星际界体、与物质作用才会产生反粒子。在天上的质子是最多的高能粒子，但是反质子很少，只有质子的万分之一。
暗物质粒子湮灭时会产生质子和反质子，如果通过产生粒子探测暗物质粒子，本底大概高6万倍，如果反粒子，本底很低，容易探测到。但是怎么探测反粒子？通过磁场。带电粒子在磁场中偏转，根据带电粒子在磁场中偏转的方向，可以定住带电粒子的电的极性。
在天上放一个强大磁场是很难的事，人类花了十几年时间，希望在天上放一个超导体，到现在为止，都没成功。这次上天的并不是一个超导磁铁，而是一个普通的永久磁铁。总的重量是7吨，要把一个7吨重的东西送到天上去是很难的事，耗资也很大，大概耗资20亿美元。
永磁铁磁场强度不够强，由于磁场强度的限制，高能粒子增加的时候，偏转角度越来越小，以至于测不出来，到300个GeV的时候，偏转角就测不出来了，把偏转的方向测反了的大概是10%。10%不是一个很大的数目，但是我刚才讲了质子和反质子相差1万倍，10%也就是让你的本底一下提高了1000倍，显然测量方法会受到能量限制，随着能量的增加，这种方式不现实，不能用磁谱仪，我们必须寻找另外的方法。
另外的方法怎么探测暗物质？
寻找一些特征信号，比如说伽玛射线谱线，如果落在GeV以上，探测到伽玛射线谱线，这就是暗物质粒子最强的证据，因为没有其他的天体物理过程能在GeV以上产生伽玛射线线谱。
第二个是高能带电粒子的电子频段。其实它也是一个谱线。由于高能粒子在银河系里面传播的时候，银河系里面有磁场，在磁场中传播它会转弯，会产生能量。银河系里面有大量的背景光，尤其电子跟背景光发生相互作用。高能电子在银河系传播，你看到的不是一个线谱，而是一个连续谱，它的能谱有一个，这个截断就是暗物质粒子的质量，暗物质湮灭产生的高能电子的能量不能超过这个质量，这是暗物质粒子的特征。
我们知道银河系里面的物质分布是盘状的，如果我探测到伽玛射线谱线，分布是球状的，也可以是云状的，这也是暗物质产生的强烈证据。普通的物质是盘状的，不可能产生云状的伽玛射线分布，只有暗物质和暗物质相互作用的时候才会产生。银河系里面的暗物质分布和普通物质不一样，它是球状分布或者云状分布。
最近的观测有了一些进展，地下有进展，没看到信号，天上看到了信号，但是没办法判断这些信号来自于暗物质，还是来自于特殊的天体物理构成。AMS看到天上的正电子随着能量的增加，并没有下降，而是在上升。多出来的正电子来自哪儿？可能是暗物质，也可能是我们没弄清楚的特殊的天体物理过程。
十几年以前，我们在南极放了气球，观测到宇宙的电子谱和宇宙线模型相比，也有一个超出，超出的部分来自哪儿，也不清楚。
我们看到了一些信号，反电子、正电子、电子与宇宙线模型相比，有一些超出。看到了暗物质六个特征里面的五个，最关键的没看到。现有的探测器由于仪器的灵敏度的限制，或者是分辨的限制、能力的限制，没办法把六个特征全部探全。
一般的磁谱仪到了300个GeV的时候，粒子不多了，我们希望用一个新的探测器，测量能段要比AMS-02高10倍以上，把天上的本底区分开来。这就是提出暗物质卫星的依据。
为什么提出这个项目？现有的所有的天上的仪器无法给出一个确切的结论：究竟有没有暗物质？它在哪儿？物理性质是什么？由于它们能力的限制，没办法有明确的进展，我们必须造一个新的探测器上天。
我国
暗物质粒子探测卫星
我国的暗物质粒子探测卫星，名字叫悟空，英文名字是DAMPE，是寻宝游戏里面的关键人物，要找到宝贝，必须要找到DAMPE，只有它灵敏，才能把宝贝找出来。我们给它取名DAMPE，希望悟空像DAMPE领着我们找到暗物质粒子。
科学院每五年在天上放几个卫星研究空间科学的前沿科学问题（编者注：即中科院空间先导专项），我们是第一批项目者。
卫星轨道是500公里高，离地球表面500公里，太阳同步轨道降交点地方时为6点30，什么意思呢？早上6点30进入上空，晚上6点30是回来的时间，每一个地方是固定的。重量是1850公斤，功耗600瓦，每天大概搜集到16GB的数据。是去年发射的。
这个探测器并不是我们紫金山天文台一家单位完成的，由五家单位联合研制，紫金山天文台、高能物理所、近代物理所、国家空间科学中心和中国科技大学。还包括了国际合作，我们邀请了瑞士的大学和意大利的大学，参加我们暗物质卫星的研究。
探测器由四个部分组成。
塑闪阵列探测器是一米平方的大的塑闪阵列。
硅径迹探测器是高能物理所和瑞士大学、意大利大学联合研制的。
BGO量能器是由中国科学技术大学和紫金山天文台研究的。
还有一个中子探测器，是由紫金山天文台研制的。
这四个探测器组织在一起，它是高空间分辨和高能量分辨的高能粒子、伽玛射线无线望远镜。我们一般用的望远镜是筒子一样的，但跟它的波段不一样，如果光子扩散的波很长，像无线电波段，望远镜就不是一个波了，你家的电视天线就是一部望远镜。到了高能粒子的望远镜，望远镜不是一个望远镜，是高能粒子探测器，人得到高能粒子的能量方向，作用和望远镜一样，不是我们通常所说的望远镜。
整个探测器有75916路子探测器，什么概念呢？我们国内最大的加速器是北京谱仪，北京谱仪上所有的子探测器加在一起才4万多，我们这个探测器有7万多路子探测器。我们这么复杂的探测器必须把它装在1米见方的小空间，重量是1吨，有很大的难度。
“悟空”的探测对象是高能电子、伽玛射线和宇宙射线质子和重核成分等。望远镜的测量是有能量范围的，除了暗物质以外，我们还可以研究宇宙射线起源。人类发现宇宙射线也有100年了，但是它究竟来自于哪种天体，还不清楚。宇宙射线的起源到现在为止，还是一个未解之秘，也是一个前沿科学问题。
我们通过测量高于GeV的高能电子，可以知道它的来源，为什么？当地探测到的高能电子一般来自于附近的天体，不可能太遥远，太遥远的地方的高能粒子传播不过来，在地球上看到的是来自于附近，但是GvE以上的高能电子来自于很近的源，发散于附近，很微弱的，这地方有百分之几的变化。如果你能看到这样的变化，也就是相当于看到了无尽的宇宙射线源，这也是一个很重要的前沿问题，“悟空”也可以研究伽玛射线天文，它本身就是伽玛射线的望远镜。
暗物质粒子探测卫星，可以探测电子、伽玛射线、质子事例，每个事例都有四个物理量，能量、方向、电荷和时间，把它组成12个信号，可以解决所有的科学问题。
探测器的研制是一件比较复杂的事情，上空间的东西经过三个阶段。第一个是方案阶段，第二个是初样阶段，第三个是正样阶段。方案阶段必须要证明你的方法可行。在初样阶段，证明你研制的探测器能在天上工作，在地球经过严酷的环境实验，证明这个探测器在天上能工作。正样阶段是把探测器重做一遍。
我们的“悟空”暗物质粒子探测卫星是2011年12月立项，电性件是小型的暗物质粒子探测器，在地面证明能正常工作，然后拿到欧洲去标定一下，证明你的方法可行，才能进入初样阶段。
初样阶段，就是要研究和它一样大的探测器。但是通过这样的探测器证明你的探测器能在天上严酷的环境能生存下来，要做各种各样的实验，温度实验、力学实验等等。实验全部通过了，才可以做一个样机。
我们的探测器要满足暗物质探测，提出了很高的指标，动态范围。什么叫动态范围？探测器从最弱的信号到最强的信号要覆盖得宽，我们的覆盖宽度是18万倍，最低的能量到最高的能量之间差距是18万倍，是世界上动态范围最大的探测器。
探测器是1.06吨，整个卫星重量1.9吨，暗物质粒子探测器是1.45吨。里面有616支光电倍增管，616路高压电缆，1848路信号电缆，4.5万个高压焊点，16块电子学板，92只接插件，136路热电，就是测温度的温度计，48路也是测温度的，这个精度高一点。要把这么多东西装在一个很小的空间里，是一件很困难的事，用了很多的时间。
分压板有两个硬币这么大，这么小的板子没有什么高技术，但是我们要把它做好。18万倍的动态范围，最主要的就是由分压板来保的。
我们有两个教室，定了30个版本，花了一年半时间才把它做好。但是要把它配合到一起，满足18万倍，是很困难的事。
我们做了大量的实验，做了30版，每次追8000个问题，再提高，再改。我们还要委托日本的公司一起做，花了一年多的时间，发现我们的动态范围比日本人更大一点。
看上去很简单的一件事，把它送上天要做很严格的实验，保证你的性能达到指标，才能把它送上天，否则你前面的工作全是白费。
接着是电性件研制。需要做一个小的探测器，大部分是中国科技大学的学生完成的，但是老师先把它设计好，学生把它制出来。制出来一个小型的样机，相当于暗物质粒子探测器的八分之一的大小。2012年7月，我们在南京进行测试。
除了进行工程样机的制作，还要做一个工作，是什么呢？如果探测器太重了，1吨多重，中国没有一个卫星有1吨重，需要我们证明1吨重的东西能够上天。我们做了结构，用铁棒模拟它，把所有的外形和上天的面做好。把它放在卫星上，跟卫星一起，保证卫星发射的时候，能够满足口径和震动的条件。
鉴定件是工程样机，和天上一样，但是要满足天上严酷的环境。
每一个板子做好以后，不能立即装上去，经过18.5次的高低温循环，保证板子的性能不变，才能装在探测器上。一块小的电路板要经过16个工序才能做好。几十个工人干了一个月。做好了以后，拿回到中国科学技术大学进行安装测试。测试完了以后，还要跟晶体进行配对测试，把它匹配好。
宇宙线阵列测试也是在中科大。每一个线路板都要经过18.5次的热循环，从零下25度到零上45度，证明它能碰撞。由于有8000多根电缆，全部在1米见方里面安排好，否则就乱套了。把它编成一个辫子，怎么编，都要测试。测试通过了，发现能工作，我们再真正开始干。
2013年12月30日，我们开始做样，前面的预备工作都准备好了。工人们把它梳理好，编成辫子，把插头装上去。测试完了，再把电路板绕上去。
2014年腊月二十八，还有两天过年，我们才把初样制好，工人回去过年。从正月初三开始，我们再回来进行测试。总装以后，所有的机构再测试一遍。噪声水平达到要求，每层的均匀性达到要求，还有天上的宇宙线的测试。
全部完成了，我们从2月份开始把它运到上海去进行磁测试，因为卫星上有磁的传感器，如果你的探测器有很强的磁场，会影响其他的卫星没办法正常工作。就跟手机一样，你的手机不能影响别人的手机，但是别人的手机打开的时候也不能影响你。我们的探测器发出的无线电信号不能影响别人，别人的无线电信号不能影响我们，这叫电磁兼容。
太阳光照到的时候，卫星的温度高，太阳照不到的时候，卫星的温度低，卫星的温度每天都在变化。为了模拟这个变化，我们的探测器必须拉到一个箱子里，这是一个房间，从上喷液，把温度降下来，底下通过电炉把温度升上来，要做13.5次循环，证明你的东西能碰撞，从零下60度到零上60度。
我们还要把探测器拉到真空里面，这个真空桶大概有三层楼高，模拟在真空的情况下，温度再变化，你的探测器能不能正常工作，我们总共花了1个月的时候，从3月1日到4月3日把实验做完。
2014年4月份，我们把指标再测试一遍，证明给专家看，我们的东西能够通过天上严酷的环境正常工作，然后把它交付卫星。
在交付卫星之前，还要做一个实验，把它组合成一个望远镜，要进行测试，你不能影响别人，别人也不能影响你，你要和别人配合工作。
4月20日，我们把它运到上海，装在卫星上，把实验再做一遍，到8月份，又花4个月的时间，把实验重做一遍。把它装到卫星上，要重做刚才所有的实验，又花4个月的时间。一直到2014年8月底，我们开始进行正样阶段的研制。
前段时间同学们看新闻，日本人的卫星失败了，最根本的原因是软件判断写的不是很好。我们的软件总共有3万5千行，一行写错了，就可能导致卫星失败。日本人没考虑太全面，导致了卫星越转越快，最后把卫星转散了。软件也是在天上很重要的一块。我们做了测试，证明软件的功能。
因为“悟空”是到天上测量光的粒子，所以能不能测量到，测量的准不准，要做标定。我们国内还没有高能量发射源或者加速器来满足我们卫星的条件，我们的卫星必须拉到瑞士去，做束流标准。什么叫束流标准？加速器把高能粒子引出来，打到探测器上，看探测器能不能正常工作。
我们的“悟空”号卫星经过能量测量，是世界上最高的水平。方向测量和世界上最高的水平相当。电荷测量的水平也是和国际上最高水平相当。在上天之前，我们的指标基本上达到世界领先，或者和世界上最高指标相当。
天上的高能粒子每秒钟是固定的，你要把暗物质的信号测到，需要更多的时间等。
两年之内，我们要做全天覆盖，每个角落都要看到，根据全天的测量结果，我们观测感兴趣的，暗物质多的地方，进行一年的定向扫描，我们计划在年底把第一批科学结果向全世界公布。
谢谢大家！
五、
“墨子”号量子通信实验卫星
由中科院自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心成功发射，它也是中科院空间科学战略性先导科技专项首批科学实验卫星之一，主要科学目标是进行星地高速量子密钥分发和广域量子密钥网络实验，并在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态等实验研究。
量子卫星是何物？快戳进来涨姿势？！
号外！号外！中国首颗量子科学实验卫星将于今年8月，也就是这个月择机发射啦！这是世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，旨在构建一个天地一体化的量子保密通信与实验体系！
量子卫星有何神奇之处？
作为中科院空间科学先导专项的第三颗科学卫星，量子科学实验卫星在2011年时就已经正式立项了。
有人可能不禁要问了：为什么要建设天地一体化的量子通信网络？这对我们日常生活有哪些影响？真的不会再有信息安全问题？
下面我们就来认识认识量子这家伙吧！
我们知道构成世界的所有物质都是由很小的微粒组成的。
一个物理量，如果有最小的单元而不可连续分割，就说这个物理量是量子化的，并把这最小的单元称为量子。量子是能量的最小单位，分子、原子、光子、电子都是量子的表现形态。
其实，所有的基本粒子，包括电子、光子，它们都是量子，所以你也可以说整个世界其实就是由量子组成的。
而且从某种程度上说，人类就是一个庞大量子的集合！你每一次的呼吸，其实都包含着上万亿量子的进出呢！
打个比方，我们把量子比作孙悟空，孙悟空在西游记中多次使用过分身术，其实量子也有很多个分身，现在假设量子的三个分身ABC，分别去北京、上海、广州玩儿，但是只要其中一个分身被发现（学术说法叫被测量），ABC就会随机消失掉两个，可能是AB，可能是BC，可能是AC，而仅留下一个。这个就叫量子叠加原理。
什么是量子保密通信？
量子通信分为两类，一类是量子密钥（也称量子保密通信），一类是量子态传输（也称量子隐形传态）。
那到底什么是量子保密通信呢？让我们举个例子。
如果科学家想要传输一个秘密给收信人，就要给收信人两样东西，钥匙和存放着物品的箱子。收信人只有同时收到密钥和箱子，才可以打开箱子取出里面的物品。
之后，科学家选择普通方式寄出箱子就可以了，因为没有密钥别人是打不开这个箱子的。这就是绝对安全的量子保密通信！
传统的通信方式无非是在传输介质和加密数据上下功夫，但黑客攻击和网络窃听依旧此消彼涨，而量子通信则完美击破这个壁垒。
传统的数字计算加密方法都是可以破译的，只是时间长短的问题而已。
根据量子叠加原理，密钥就是量子的多个分身，一旦被窃听，被测量，其他分身就会随机消失，科学家就会发现，把该钥匙废掉，再寄一把，直到确保收信人拿到这把钥匙。
而量子保密通信就好比要给接受者钥匙和保险箱，他拿到保险箱之后我们再利用量子态来传递密钥，一旦被截获，量子的状态会改变，变成无意义的信息，而接受者也能立马察觉，直到一把新的钥匙安全无误地被接收。
基于纠缠的量子通信？心有灵犀？
量子隐形传态，是基于量子叠加、量子纠缠理论，通过隐形传输而实现的信息传递方式。
心有灵犀确实是可以实现的！
量子纠缠，则是指把两个量子纠缠在一起。纠缠在一起的量子像一对亲密爱人，可以共生死。
啥意思？
比如李雷和韩梅梅各代表一个量子，他们结婚了（纠缠在一起），李雷和他的分身在上海和北京，韩梅梅和她的分身也在上海和北京，一旦李雷的分身被测量到了，那么李雷和韩梅梅在同一地方的分身都会消失，他们俩都分别只留下了一个分身。这就是量子纠缠，它帮助科学家完成了量子的隐形传态。
量子卫星VS量子通信？
量子的信息携带者光子在光纤中可以完成短距离传播，在大气层中却可以传递几千公里，超过一定的距离限度则会失去信号，因此就需要卫星来协助。
于是，量子卫星作为地面上两个实验站的中介，使其形成区域通信网络，海量信息穿梭如影，且无条件安全。
量子卫星上天后，它会发出一连串的单光子，由地面上的光学实验站接收再进行解码，如果成功，就相当于完成了通信。这么做也是为了实现天地之间的量子保密通信做准备，如果能成功，将意味着我们有望建成大范围的全球量子通信网络。
当然靠这一颗卫星也不一定能完成全球保密通信网络。
如果这次我国的这颗卫星能实现天地之间的量子通信的话，那在此之后，陆续会有其他量子卫星与它并肩作战，实现全球化广域的量子保密通信网络。
量子通信大发展
中国预计在2030年实现量子通信的全球化，这除了需要量子卫星发挥功效，还需要地面上的光纤量子通信骨干网络协同完成任务。
准确来说，量子科学实验卫星是起到“探路者”的作用，它的成功意味着天地在理论和实际中都能完美接洽。
骨干网络就是光纤量子通信骨干网工程——“京沪干线”项目。在北京和上海之间实现量子通信，总长2000余公里，从北京出发，经过济南、合肥再到上海，今年年底将交付使用。
“京沪干线”好比是连接地面上的各个城市、每个信息传输点的无形大网，量子卫星就好比是一杆将这张网射向太空的“标枪”。卫星在天上，骨干网络在地上，天地配合才能实现全球化通信。
