一口气搞懂暗物质

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说起暗物质，其实很多人都纳闷这到底是什么东西？为什么科学家特别热衷于寻找暗物质？对于这样的东西，我们很容易问出哲学三问来：到底是什么？在哪里？有什么用?
今天，我们就来讲一讲暗物质。暗物质到底是什么？
要了解暗物质到底是什么，我们就得先搞清楚“引力”。我们可以想象一下，有一种神器的大炮，它能把炮弹打出任意的速度。那接下来，如果我们徒手拿一个炮弹，然后松手，炮弹就会自由落体掉在地面上，这是地球引力吸引的结果。

如果，我们用大炮来打，让炮弹稍微具备一点初速度，那就会是下面这样：

如果，我们再让大炮打出的炮弹快到一定程度，那这炮弹就很有可能绕着地球转起来。

这个时候，我们继续让炮弹的初速度再快一旦，那这个炮弹绕着圈子就会更大一点。

如果我们再大幅度去增加炮弹的速度，那这个炮弹就很有可能摆脱地球的引力，飞出去。

基于这些发现，我们至少可以下这么一个结论，物体是不是绕着一个天体转，和这个物体的速度以及它的引力有关，速度越快，所需要的引力就越大。
而多少速度对应多少引力，我们可以用牛顿的万有引力理论进行计算。了解这些，我们再回过头看星系，就拿银河系来说吧，

我们如果通过理论去计算，就会发现理论上太阳绕着银河系质心的速度应该是160km/s，而实际上，太阳的速度竟然是220km/s。

实际速度比理论快得多，按照刚才的结论，应该是存在额外的引力才能够做到。那这额外的引力到底从哪来的呢？
刚发现这样现象的时候，科学家也很纳闷。这个现象不止是发生在银河系，很多星系也有这样的现象，最早发现这样的现象是基于观测其他星系的结果。

于是，科学家不得不假设存在一种物质，它提供了额外的引力，但是我们的观测手段没有办法观测到它的存在。他们把这种物质叫做暗物质。暗物质在哪？
假设存在了暗物质，并不意味着我们就知道它的属性，它具体存在于哪里和它本身的属性是有关系的。关于暗物质的假设理论有特别多，但是目前比较主流的是冷暗物质假说（Cold Dark Matter）。
首先，暗物质之所以不容易被观测到，是因为我们是通过电磁辐射来观测的，所以，冷暗物质的“暗”其实就来源于这里；同时构成暗物质的粒子其实移动特别缓慢，因此，冷暗物质的“冷”就是这么来。
你可能不能理解，“冷”和移动缓慢有什么关系？其实我们在定义温度时，在微观尺度上物体分子热运动的剧烈程度。

粒子平均动能越大，也就是运动得越欢快，温度就越高，而绝对零度，实际上就是在粒子几乎就在原地振动。（这还是不确定性原理导致的）
所以，粒子移动得慢，说明温度就低，也就是“冷”。基于这样的认识，科学家就开始思考什么样的粒子时符合这样的特质？
目前来说，有两种主流的看法：
大质量弱相互作用粒子：这种粒子是目前还未知的，科学家也在考虑是不是通过大型粒子对撞机来找到它。
大质量致密晕天体：这一类包括黑洞、白矮星、中子星等一些暗淡的恒星或者不发光的行星。

不过，目前来看，第一种假设的可能性更高一点。为什么这么说呢？
这是因为，科学家通过理论计算，得到了暗物质在宇宙中的占比，它比已知物质总量的5倍还要多。

如果，它真的是黑洞，中子星之类的天体，那意味着，宇宙中布满了这些天体，如果是这样的话，很多恒星早就被这些黑洞和中子星吞噬掉了，你敢想象太阳系内存在一个黑洞？那太阳和几大行星还真不够人家吃的。

不仅如此，暗物质还具有一个特点，那就是不参与电磁力和强相互作用。要了解这些，我们必须先知道，在宇宙中存在四大作用力，分别是引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。它们是万物的粘合剂，不过它们之间还是有区别的，比如说强度就相差很多。

其中强相互作用最强，电磁力其次，弱相互作用第三，引力最弱。强相互作用和弱相互作用保证了原子核可以形成，电子不至于掉落到原子核内。而电磁力，保证了原子可以形成，原子间和分子间的作用力都是通过电磁力来完成。而引力则是星系的粘合剂。
在冷暗物质模型中，冷暗物质只参与弱相互作用，而且发生作用概率极其低，和这个类似的其实还有中微子，我们的身体每秒钟会有100万亿个中微子穿过，我们还不知情。而冷暗物质也是一样，所以，暗物质也是布满整个空间，而且还会穿过我们的身体，只是因为不发生作用，我们无法感知到。因此，暗物质实际上无处不在，我们的地球上，太阳系中，银河系中都有。当然，凡事并不绝对，目前也有发现几个星系没有暗物质，至于为什么目前还不得而知。

暗物质有什么用？
那暗物质有什么用呢？实际上，我们刚才也提到，引力是星系的粘合剂。而暗物质是已知物质的5倍还要多，因此，星系之所以可以形成，完全是需要暗物质的帮助，如果没有了暗物质，星系中的那些天体沿着切线飞出去。因此，宇宙诞生的早期就有暗物质了，正是在暗物质的引力作用下，才逐渐形成了星系，才有了银河系，有了太阳系。

关于暗物质，我们就说到这里。
最后，我们来总结一下，暗物质是星系的粘合剂，正是由于它参与了引力作用，使得我们的星系得以形成。但是它不参与强相互作用和电磁相互作用，因此我们感受不到它的存在，也观测不到。