暗物質(zhì)是不是物質(zhì)?

暗物質(zhì)（Dark matter）是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質(zhì)。

組成暗物質(zhì)的是“弱相互作用有質(zhì)量粒子”（weakly interacting massive particle, WIMP），其質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度在電弱標(biāo)度附近，在宇宙膨脹過(guò)程中通過(guò)熱退耦合過(guò)程獲得觀測(cè)到的剩余豐度。

此外，也有假說(shuō)認(rèn)為暗物質(zhì)是由其他類型的粒子組成的，例如軸子（axion），惰性中微子（sterile neutrino）等。

暗物質(zhì)的存在已得到廣泛認(rèn)同，盡管人們對(duì)其屬性了解甚少。目前已知的暗物質(zhì)基本屬性如下：

暗物質(zhì)參與引力相互作用，因此是有質(zhì)量的，但單個(gè)暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量尚不能確定。暗物質(zhì)是高度穩(wěn)定的，由于在宇宙結(jié)構(gòu)形成不同階段都存在暗物質(zhì)的證據(jù)，因此暗物質(zhì)應(yīng)該在宇宙年齡（百億年）時(shí)間尺度上是穩(wěn)定的。

暗物質(zhì)，究竟是什么？

　　在20世紀(jì)90年代早期，關(guān)于宇宙的擴(kuò)張，有一件事是相當(dāng)肯定的。足夠的能量密度可以阻止宇宙的膨脹和重新坍塌，而能量密度太小將無(wú)法讓宇宙停止膨脹，但隨著時(shí)間的推移，引力肯定會(huì)讓宇宙膨脹減速。

　　圖解：從引力透鏡產(chǎn)生的效應(yīng)，星系團(tuán)CL0024+17內(nèi)部被發(fā)現(xiàn)存在有一個(gè)暗物質(zhì)圈，在這張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡像片里以藍(lán)色顯示出來(lái)。

　　當(dāng)然，宇宙膨脹的減速還沒有被觀測(cè)到，但理論上來(lái)說(shuō)，膨脹速度必定會(huì)減慢。宇宙充滿了物質(zhì)，萬(wàn)有引力將所有物質(zhì)拉到了一起。在1998年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）對(duì)非常遙遠(yuǎn)的超新星進(jìn)行觀測(cè)，這些觀測(cè)表明，很久以前，宇宙的膨脹實(shí)際上比現(xiàn)在慢得多。

　　圖解：被暗物質(zhì)包圍繞著的地球想像圖

　　所以宇宙的膨脹并沒有大家所想的那樣因?yàn)橐Χ鴾p緩，而是一直在加速。沒有人預(yù)料到這一點(diǎn)，也沒有人知道如何解釋這個(gè)現(xiàn)象。

　　最終理論家提出了三種解釋。或許這是被愛因斯坦引力理論長(zhǎng)期廢棄的結(jié)論，其中包括所謂的“宇宙常數(shù)”?；蛟S因?yàn)橛幸恍┢娈惖哪芰苛黧w充斥在宇宙中。又或許是愛因斯坦的引力理論存在一些問(wèn)題，而新的理論可能包括某種創(chuàng)造宇宙加速度的領(lǐng)域。理論家們?nèi)匀徊恢勒_的解釋是什么，但他們給了這個(gè)解決方案一個(gè)名字，暗能量。

　　圖解：由大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產(chǎn)生時(shí)的景象。它是通過(guò)衰變?yōu)閺?qiáng)子噴流的質(zhì)子與電子的碰撞形成的。

　　通過(guò)將宇宙成分的理論模型擬合到宇宙學(xué)觀察的組合中，科學(xué)家們給出了我們上文提到的成分，~68％暗能量，~27％暗物質(zhì)，~5％正常物質(zhì)。什么是暗物質(zhì)？

　　我們更確定暗物質(zhì)不是什么而非它是什么。首先，它是黑暗的，這意味著它不是我們看到的恒星和行星的形式。觀測(cè)表明，宇宙中的可見物質(zhì)太少，無(wú)法彌補(bǔ)觀測(cè)所需的27％。

　　圖解：今期與早期的宇宙質(zhì)能分布餅圖

　　其次，它不是正常物質(zhì)的暗云形式，物質(zhì)由稱為重子的粒子組成。我們能知道這一點(diǎn)，是因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)吸收穿過(guò)重子云的輻射來(lái)探測(cè)重子云。第三，暗物質(zhì)不是反物質(zhì)，因?yàn)槲覀儧]有看到反物質(zhì)與物質(zhì)湮滅時(shí)產(chǎn)生的獨(dú)特伽馬射線。最后，我們可以根據(jù)我們看到引力透鏡現(xiàn)象的多少排除大型星系般大小的黑洞。

　　高濃度的物質(zhì)會(huì)使遠(yuǎn)離物體的光線通過(guò)其附近時(shí)發(fā)生彎曲，但我們沒有觀測(cè)到足夠的透鏡現(xiàn)象來(lái)表明這些天體構(gòu)成了所需的25%的暗物質(zhì)。

　　圖解：Abell 2744：潘多拉星團(tuán)揭曉

　　在Abell 2744的新合成圖像中捕獲了有史以來(lái)星系團(tuán)之間最復(fù)雜和最引人注目的碰撞之一。圖中藍(lán)色部分顯示了全部質(zhì)量瘤（主要是暗物質(zhì)）的分布。

　　然而，在這一點(diǎn)上，暗物質(zhì)還有其他可能的解釋。暗物質(zhì)可能由完全被束縛在褐矮星或小而稠密的重元素塊中的重子物質(zhì)組成。這種可能性被稱為大質(zhì)量致密暈天體或“MACHOs”。但最常見的觀點(diǎn)是，暗物質(zhì)根本不是重子，而是由其他更奇特的粒子組成，如軸子或WIMPS（大質(zhì)量弱相互作用粒子）。

　　圖解：暗物質(zhì)在Oddball 星系中消失

　　研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)在NGC 1052-DF2星系中大部分（如果不是全部的話）暗物質(zhì)都缺失了。

宇宙中究竟存不存在暗物質(zhì)，暗物質(zhì)究竟是什么物質(zhì)？

看不見的暗物質(zhì)-被公認(rèn)為宇宙物質(zhì)的主要組成部分

人們常說(shuō)眼見為實(shí)、耳聽為虛，但很多時(shí)候現(xiàn)實(shí)都無(wú)情地告訴我們，親眼看到的東西也并不代表就是全面而真實(shí)的。比如，即便人類社會(huì)已經(jīng)發(fā)展到如今這樣看似發(fā)達(dá)的狀態(tài)，我們可以通過(guò)很多探索儀器對(duì)地球之外的空間有更多了解。

但是，就人類目前能觀測(cè)到宇宙物質(zhì)而言，卻只占據(jù)了這個(gè)龐大空間中的極小一部分(5%)，這其中就包括了大家都可以看到的滿天繁星。也就是說(shuō)，宇宙其實(shí)存在著可見和不可見的部分，而我們可以發(fā)現(xiàn)其存在的都稱為可見宇宙。

事實(shí)上，不可見的宇宙物質(zhì)才占據(jù)了宇宙的大部分空間(95%)，而至今都沒見過(guò)其真面目的暗物質(zhì)（85%），便是這些神秘的構(gòu)成部分之一。暗物質(zhì)這一種理論上存在的物質(zhì)形態(tài)，雖然與其他任何一種我們已知的物質(zhì)都有所不同，但卻并不影響它被大多數(shù)科學(xué)家們公認(rèn)為宇宙物質(zhì)的主要組成部分。

暗物質(zhì)是真的嗎

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們所知道的任何一種基本粒子都不是暗物質(zhì)粒子，這也是為什么它的存在是在挑戰(zhàn)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。我們可以通過(guò)它與引力之間的相互作用了解到，暗物質(zhì)應(yīng)該也具有質(zhì)量這個(gè)屬性，但每個(gè)暗物質(zhì)的質(zhì)量卻難以確定。

與此同時(shí)，暗物質(zhì)也基本上不會(huì)參與強(qiáng)相互作用和電磁相互作用?？偸翘幱诟叨确€(wěn)定狀態(tài)的暗物質(zhì)，可以在宇宙結(jié)構(gòu)形成后的不同階段找到其存在的證據(jù)。截至目前，雖然暗物質(zhì)沒有被科學(xué)家們直接觀測(cè)到，但已有較多的證據(jù)可以說(shuō)明，它的確廣泛地存在于宇宙這個(gè)龐大的空間之中。

不管是可以作為研究暗物質(zhì)的重要手段的星系團(tuán)觀測(cè)、對(duì)宇宙微波背景輻射各向異性的進(jìn)行觀測(cè)，還是大型計(jì)算機(jī)對(duì)宇宙演化大尺度結(jié)構(gòu)的形成的模擬，都說(shuō)明了宇宙中可見的物質(zhì)總質(zhì)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于宇宙質(zhì)量的總和。并且，從宇宙總能量的這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，我們可以觀測(cè)到的星際氣體和天體，這些常規(guī)物質(zhì)的總能量實(shí)際上只占據(jù)了4.9%左右。

雖然暗物質(zhì)粒子跟常規(guī)物質(zhì)的相互作用非常微弱，但這并不代表它永遠(yuǎn)都不可能被我們?cè)絹?lái)越精密的儀器探測(cè)到。在以后的時(shí)間里，我們可以通過(guò)探測(cè)器中的物質(zhì)和暗物質(zhì)粒子之間的相互作用，來(lái)“直接探測(cè)”暗物質(zhì)粒子的存在；也可以“間接探測(cè)”暗物質(zhì)在發(fā)生湮滅或衰變之后所釋放出的普通物質(zhì)信號(hào)；更能通過(guò)“加速器探測(cè)”的方式，尋找我們?cè)诹Ｗ訉?duì)撞機(jī)中在人為之下所產(chǎn)生的暗物質(zhì)粒子。

暗物質(zhì)從何而來(lái)

在充滿了各種物質(zhì)的復(fù)雜宇宙中，存在著許多大大小小的星系，而像我們銀河系這樣相對(duì)較大的星系，其周圍通常都會(huì)存在一些圍繞它運(yùn)行得更小的星系。當(dāng)科學(xué)家們?cè)趯?duì)這些特定的星系組合進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，它們混亂的盤旋并不能用現(xiàn)有的模型來(lái)解釋。

早在1922年的時(shí)候，天文科學(xué)家卡普坦就提出了星體周圍應(yīng)該存在一種我們無(wú)法看到的物質(zhì)。1932年，研究人員在對(duì)銀河系恒星的軌道速度進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，該星系的質(zhì)量無(wú)法解釋這些星體所具備的特別快的移動(dòng)速度。當(dāng)時(shí)間來(lái)到90年代末，科學(xué)家維拉·魯賓實(shí)現(xiàn)了對(duì)附近星系自轉(zhuǎn)速率的測(cè)量。

并將其作為恒星和星系距離的函數(shù)，同時(shí)也將標(biāo)準(zhǔn)牛頓重力理論的預(yù)測(cè)值和實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。當(dāng)恒星圍繞母星系運(yùn)行的時(shí)候，保持了近似圓形的運(yùn)行軌道，而之所以恒星可以維持在這個(gè)特定的軌道上，則得益于重力的作用。再?gòu)呐ｎD方程預(yù)測(cè)來(lái)看，恒星如果無(wú)法確保因?yàn)橹亓Χa(chǎn)生的力，剛好等于恒星沿著路徑運(yùn)動(dòng)的力，便會(huì)直接墜入星系的中心、又或是飛入太空之中。

而在銀河系中心附近，由于距離星系中心較遠(yuǎn)，以至于方程的兩邊無(wú)法進(jìn)行很好的匹配。雖然，研究人員并沒有對(duì)每個(gè)星系都進(jìn)行這樣的觀測(cè)，但是，即便是存在一些細(xì)節(jié)上的不同的星系，對(duì)其觀察到的本質(zhì)相對(duì)而言卻是普遍存在的。現(xiàn)有理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象說(shuō)明了，如果不是我們還不了解慣性是怎么工作的、重力是怎么工作的，那就是這個(gè)方程式中的等號(hào)出錯(cuò)了。

于是，暗物質(zhì)被提出來(lái)解釋許多天文觀測(cè)中難以解釋的現(xiàn)象，比如那些疑似與牛頓萬(wàn)有引力相違背的現(xiàn)象。科學(xué)家們?cè)诮Y(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型和宇宙微波背景輻射觀測(cè)之后，這種占據(jù)宇宙總能量密度26%左右、約占據(jù)宇宙總質(zhì)量85%、不發(fā)出任何形式電磁輻射的暗物質(zhì)，就這樣通過(guò)宇宙間的引力效應(yīng)間接推斷出來(lái)了。

暗物質(zhì)的未解之謎

我們對(duì)暗物質(zhì)的了解還很有限，雖然，假設(shè)的弱相互作用粒子WIMP得到了很多人的支持，但科學(xué)家們至今依然無(wú)法確定它到底是什么。眾所周知，普通物質(zhì)都是由電子和質(zhì)子這樣的常見例子類型構(gòu)成，而構(gòu)成了宇宙物質(zhì)85%的暗物質(zhì)，是否也同樣如此復(fù)雜卻不得而知。

科學(xué)家們是在普通物質(zhì)的引力相互作用中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的，這在一定程度上說(shuō)明了暗物質(zhì)在宇宙中存在的主要途徑應(yīng)當(dāng)也是如此。然而，想要在這個(gè)過(guò)程中了解到暗物質(zhì)的真實(shí)本質(zhì)，這卻讓我們所有研究人員都束手無(wú)策。而且，倘若暗物質(zhì)粒子就是自身的反粒子，那么，這就說(shuō)明了兩個(gè)相遇的暗物質(zhì)還會(huì)相互殲滅。

由于暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙空間物質(zhì)的大部分，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通物質(zhì)的體量，所以，我們一般都認(rèn)為可能是暗物質(zhì)在控制星系這種大型的組織結(jié)構(gòu)。然而，關(guān)于暗物質(zhì)的謎團(tuán)實(shí)在是太多太多，而我們?nèi)祟惉F(xiàn)在的探測(cè)技術(shù)又非常有限。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，目前的暗物質(zhì)還僅僅是一種理論上存在的物質(zhì)，我們只能從一些有限的觀測(cè)中推測(cè)出它的存在，而無(wú)法直接探測(cè)到它、以及揭示它的本質(zhì)到底是什么。

科學(xué)家常說(shuō)暗物質(zhì)，它到底是什么？

隨著人類對(duì)宇宙的不斷探索，我們也逐漸認(rèn)識(shí)到了宇宙的種種景象和奧秘。相比于我們自認(rèn)為龐大的地球，與宇宙之間是不能相提并論的。按照現(xiàn)在我們觀測(cè)到的宇宙來(lái)看，宇宙是一個(gè)充滿黑暗且寬闊的空間，其中包含了數(shù)不盡的各類天體，并且還有一些無(wú)法解釋卻存在的暗物質(zhì)。

在科學(xué)家的常年觀測(cè)中，對(duì)于星系也基本有了了解，通常一個(gè)星系中包含了恒星、行星、氣體、塵埃、暗物質(zhì)等。一般星系中的其他物質(zhì)在碰撞后就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的物質(zhì)或景象，而暗物質(zhì)卻因?yàn)楸举|(zhì)的特殊不會(huì)相撞，展現(xiàn)出來(lái)的大多是來(lái)回穿梭，就如同虛無(wú)卻有形一般。

簡(jiǎn)述暗物質(zhì)，為什么人類看不到“它”？

關(guān)于暗物質(zhì)，其實(shí)它們不像我們?nèi)粘Ｄ芤姷降奈镔|(zhì)，并且現(xiàn)在科學(xué)家也沒有實(shí)質(zhì)性的觀測(cè)到暗物質(zhì)的存在，只是通過(guò)某些手段能證明暗物質(zhì)存在。首先暗物質(zhì)具備幾個(gè)特點(diǎn)，比如它存在質(zhì)量，不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，包括暗物質(zhì)，看不見等等。

在近些年的觀測(cè)中，暗物質(zhì)是伴隨著星系而存在的，所以我們所存在的星系也是具有暗物質(zhì)的。

暗物質(zhì)具有看不見的特性，我們?cè)撊绾稳ビ^察或研究？

其實(shí)對(duì)于暗物質(zhì)，既然科學(xué)家有證明其存在的能力，那么對(duì)于暗物質(zhì)也有獨(dú)特的研究方法。在科學(xué)家的認(rèn)知中，暗物質(zhì)是存在質(zhì)量的，那么它們也就會(huì)與重力有關(guān)。電磁力的作用是讓物質(zhì)相互吸引，所以在電磁力的影響下，暗物質(zhì)同樣也會(huì)受到電磁力的影響。只要暗物質(zhì)具備電荷，那么暗物質(zhì)之間就會(huì)有排斥或吸引的變化。

宇宙中原本存在著四種力，雖然這些力在生活中比較常見，并且我們也依靠這些力生存，比如萬(wàn)有引力。但是在數(shù)十年的研究中，科學(xué)家依舊沒有發(fā)現(xiàn)這四種力是如何產(chǎn)生的，并且它們是否能融合或排列也是無(wú)法解釋的，只是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，這些力真實(shí)存在，并且通過(guò)這些力的作用，一些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸龃鸢浮?br />

對(duì)于暗物質(zhì)，在科學(xué)家的了解中，暗物質(zhì)只具備四種力中的質(zhì)量，而它并不能與電磁力或其他力產(chǎn)生影響，并且這些物質(zhì)真實(shí)存在卻無(wú)法觀測(cè)到，所以就被稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)的研究，現(xiàn)在基本上還處于猜測(cè)階段，科學(xué)家有哪些猜測(cè)，然后就會(huì)按照猜測(cè)的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終證實(shí)猜測(cè)是否屬實(shí)。

就比如科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是由粒子構(gòu)成的，所以實(shí)驗(yàn)就假設(shè)暗物質(zhì)是由幾種粒子構(gòu)成，然后通過(guò)對(duì)所謂的暗物質(zhì)的粒子進(jìn)行相互作用的各種實(shí)驗(yàn)，如果實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了其他反應(yīng)或物質(zhì)，那么就能證明暗物質(zhì)是存在的。其實(shí)暗物質(zhì)一直是只存在于猜測(cè)中的物質(zhì)，畢竟現(xiàn)在還沒有對(duì)其真正的認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)。

人類誕生的時(shí)間與宇宙相比就如同“九牛一毛”，所以我們無(wú)需把目光放得太遠(yuǎn)。科學(xué)本質(zhì)是從實(shí)踐出發(fā)的，不過(guò)也可以通過(guò)猜測(cè)得出頭緒。對(duì)于宇宙奧秘的研究，還需科技的發(fā)展才能讓奧秘變得更加顯著。

暗物質(zhì)是東西嗎

暗物質(zhì)是天文學(xué)家卡普坦在1922年時(shí)提出的，宇宙中可能存在著一種看不見的物質(zhì)。暗物質(zhì)不和電磁波發(fā)生作用，也不反射光，所以不管用多厲害的望遠(yuǎn)鏡通通觀察不到。但是暗物質(zhì)到底真的存在與否還有不少爭(zhēng)議，需要我們繼續(xù)去探索。