什么是暗物质？

麦子971

什么是暗物质？

luceifa

纵观物理学史，人类物理学上伟大的发现都是源自对生活不断的思考和提问。阿基米德在洗澡的时候通过水面上浮发现了浮力，牛顿通过一个苹果落在地上发现了引力，爱因斯坦通过对时空的观测发现了相对论，即便如此物理学仍然面临着很多未解之谜，就比如：暗物质。
什么是暗物质？

暗物质的提出实际上是源于宇宙中很多无法解释的现象，比如人类在观测仙女座大星系时发现，如果按照现有理论星系外部的星体由于距离中心较远，应该是低速运转，但事实却是和内部星体的旋转速度差不多，而要维持如此高的旋转速度克服离心力，现有观测到的物质所提供的引力是远远不够的；再比如，人类猜测宇宙的膨胀应该是减速的，因为能量存在着损耗，但事实宇宙却是在加速膨胀！再比如，人类通过现有理论估测了宇宙的质量后发现，与能够维持现有状态的宇宙真实质量相差甚远。为了解释上述一系列问题，人类提出了暗物质概念。根据估算，宇宙中我们发现的物质仅占5%左右，而暗物质占到了25%左右！（暗能量占70%左右）
暗物质是如何被证实的呢？

根据广义相对论，大质量的物质可以让周围的光线发生弯曲，人类在宇宙中确实发现了某处看似没有大质量物质存在，但光线却发生了偏移的现象，因此间接证实了暗物质的存在。
暗物质有什么特征？

普通物质能够受到电磁力的影响，发光或者吸光，可以被我们发现，而暗物质由于观测不到，所以我们猜测他应该是透明的，并定义：暗物质既不发射、不吸收也不散射光子，也不参与电磁作用，人们目前只能通过引力效应感受到它的存在。简单的说就是一些提供着引力的神秘物体。
如何探测暗物质？

人类目前探测暗物质有三种方法：
第一种，通过模拟宇宙大爆炸来探测暗物质的产生，因为有可能暗物质是在宇宙大爆炸时期留下的产物。
第二种，通过探测暗物质粒子与普通粒子碰撞发出的信号来寻得蛛丝马迹，但由于暗物质粒子和普通物质粒子碰撞的概率太小了，所以目前还没有什么进展。
第三种，人类猜测暗物质粒子同样存在寿命，那就好办了，因为粒子可能会存在湮灭或者衰变，该过程发出的宇宙射线便有可能会被太空中的探测器探测到。这种方法被称作空间间接探测法。人类目前在这种探测方法上花费了大量心血，比如我国的“悟空”号探测器凭借着自己的火眼金睛，在19个月的时间里，累计探测到了约30亿个高能粒子。这对于暗物质的研究起到了重大作用。

爱上阿南

真有无穷多个宇宙吗？摸不到，也看不到的暗物质，是否真的存在？

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目前我们很多人对暗物质的存在持怀疑态度。毕竟，暗物质并不是我们在实验室里制造出来的，也不是在实验中发现的。自从1922年科学家卡普坦（Jacobus Kapteyn）提出暗物质可能存在以来到现在,我们仍然不是很确定暗物质到底是什么?只能给出一些候选者名单.



那么我们是怎么知道宇宙中存在暗物质的?宇宙告诉了我们什么?目前我们对暗物质的猜测是什么?如果暗物质不存在,我们人类将面临什么问题?

目前我们可以看到宇宙比较大的尺度,从星系.星系团到超星系团再到整个宇宙的大尺度结构。由于大爆炸发生在138亿年前，我们可以看到一些星系在不同时期的样子。我们从这一切中得到了哪些关于暗物质的性质?

1. 暗物质不是密集的团块。不是暗淡的暗星，不是行星，不是气体和尘埃。也不可能是普通物质,也不能像普通物质那样形成任何结构。

2. 除过引力以外,暗物质不与自身和任何物质发生相互作用,这说明它有一定的质量,质量目前不确定。它感觉不到强核力，也感觉不到电磁力，如果它能感觉到弱力，那么它会比中微子更弱!再中微子面前基本就不存在障碍物,它可以轻松的穿透地球,要阻挡住中微子需要大约一光年厚的铅才有可能挡住它的去路!因此，暗物质极其蓬松,扩散程度非常高，它想去哪就去哪,没有任何物质可以挡住它,这意味着即使在我们的太阳系中，在我们星系的中心，暗物质的影响也是不可忽视的。

3.暗物质形成的很早。这对我们的星系结构的形成非常重要。回顾我们所能看到的，我们发现这些弥散的物质几乎已经存在了整个宇宙的历史。这告诉我们暗物质基本不存在温度即"冷暗物质"。这就排除了我们所知道的每一个标准模型中的粒子，因为稳定的粒子质量相对较轻,根本不可能为宇宙的大尺度结构提供足够的引力，而且标准模型中的粒子存在一定的动能,或者说这些粒子都有温度。

那是暗物质什么？不幸的是，这就是我们所知道的暗物质,我们知道它有多少，我们知道它的引力效应是什么，我们知道它是怎样的不相互作用，我们知道，它一直是寒冷的和相对缓慢的移动。就以上这些性质,目前我们人类真的绞尽脑汁都想不出来这是什么?如果你能发明满足这些要求的东西？那恭喜你，明天就会收到诺贝尔奖的邀请！
目前所有可行的候选人可分为三大类：

弱相互作用有质量粒子(WIMP)：在大爆炸中产生，曾经温度很高,但是在宇宙还很年轻的时候，就停止了与宇宙其他部分的相互作用。然后开始冷却扩散，有足够的质量，当我们看到宇宙的大尺度结构时，这些粒子已经冷却到观察不到了。质量下限大约是质子质量的100倍,属于"热暗物质."轴子(冷暗物质),一出生就没有温度。可以有一个大的质量或一个很小的质量，或介于两者之间的中性粒子。轴子无论是怎样被宇宙创造出来的，它生来就没有能量，因此在大爆炸后的某个时期这些粒子被创造出来,只被赋予质量这个属性。奇异粒子,暗物质不是我们已知的任何物质。也许是一群不稳定的粒子，由一些奇怪的特性结合在一起，无法被我们探测到。也许是一种基本流体，粘度很小，也许是完全不同的物质，既不是WIMP，也不是轴子。

大致情况就是这样。对这三种类型一直在进行研究，到目前为止，我们所知道的是暗物质不是我们迄今为止找到的任何东西。都是一些猜测,候选者,发现的这些物质都不能凭借一己之力承担起暗物质所有的职责!



所以我们要发现暗物质是什么?还有很长的路要走。虽然我们目前不能明确的说这是一头大象，但还好,我们至少知道它有长牙，长鼻子，还有大耳朵!



还有另外一种情况就是,如果真的不存在暗物质,那就说明引力在不同区域表现得不一致,这个问题就大了,我们人类已经建立得物理学大厦根基不保!如果要对牛段和爱因斯坦的引力做出修正,这将是人类面临的巨大挑战.

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暗物质到底是什么？


“暗物质到底是什么？”，客观地说，我们现在还不知道暗物质是什么，否则我们也不会把它叫做暗物质了。可能要你要问题了，

为什么还会有暗物质这个概念呢？

这其实是理论和实际观测过程中发现的巨大差距所导致的。具体来说是这样，上世纪30年代，两位天文学家先后发现了，星系中的恒星的移动速度大于理论值。

我们可以举个简单粗暴的例子，就说咱们所在的太阳系吧，太阳系其实是绕着银河系的质量在做运动。

同时，在上初高中甚至是大学物理课时，我们都有接触过牛顿的万有引力定律，根据牛顿的力学体系，我们可以计算出太阳的绕着银河系质心运动时的具体速度，算下来大概是160km/s，结果呢，实际上观测结果却是240km/s。

这个问题的出现让科学家开始思考到底是哪里出了问题。我们也可以思考一下，这样的情况可能是什么原因导致？
很多人的第一反应是理论错了，但是牛顿的万有引力定律200多年来，在预测天体的运动时都精确不比，甚至科学家用牛顿力学还能预言海王星的存在。直到近现代，航空航天也还在大量运用牛顿力学，有些探测器在长达数年的航行中，最终达到预定地点和计划的时间差都在秒级，如果牛顿力学是错的，是不可能有这样的精准度。

那还有一种可能性，根据牛顿力学，运动速度越快，就需要越大的引力，这就意味着需要额外的质量来提供额外引力，所以可能存在着某种我们看不到的物质提供了这个额外的引力。
那这种猜想靠谱么？实际上，理论上是有可能的。这里就要提及宇宙中的四大作用力，分别是强力，弱力，电磁力和引力。
他们就想万物的粘合剂，让物质粒子可以聚合在一起，所以物质和物质之间就是依靠这四种相互作用。其中强力最强，电磁力次之，弱力排在第三，引力是最小的。

而我们在观测天体时用到的是电磁波，也就是利用的电磁相互作用。也就是说，如果存在不参与电磁相互作用的物质，我们就会很难观测到它，比如：中微子就属于这一类。中微子不参与强力和电磁力，由于每秒钟有10万亿个中微子穿过我们的身体，但我们根本无法察觉到。所以，这个提供额外引力的物质应该也是不参与强力和电磁相互作用的，只参与弱相互作用和引力。而由于弱相互作用发生的概率极其低并且强度也很小，引力强度则是十分小，因此，我们很难能够观测到，我们也被这种物质叫做暗物质。

暗物质在哪里？


按照目前对于暗物质的相关研究来看，我们就主流的理论：冷暗物质模型。

这里的“冷”指的是构成暗物质的粒子运动特别缓慢；根据最新基于宇宙微波背景辐射的研究以及理论计算，我们可以知道暗物质的总量大概比于已知物质总量的5倍还要多。

因此，基于这两个点，科学家预计暗物质是大量存在的，并且广泛存在于宇宙空间当中。说白了，我们都被包裹在暗物质当中，只是我们看不到他们而已。（下图中，蓝色部分就是暗物质。）

暗物质有什么用？


目前基于对暗物质的研究，暗物质将会有什么用处，产生什么样的影响力我们还无法预知。但我们知道现在的宇宙的样子是离不开暗物质的。
首先是在宇宙2亿岁时，也就是距今136亿年前后，宇宙中第一批恒星在分子云的引力坍缩后逐渐形成，但是根据计算发现，可能当时的物质间的引力还不足以使得分子云聚合成恒星，是由于暗物质的存在，提供了额外的引力，恒星才得以形成的。

其次，同样的问题出现在了星系上，目前来看，早期的星系能够形成也是仰仗着暗物质，而且这种情况持续至今，如果暗物质突然消失，那么星系就会崩盘乃至散架。
因此，暗物质的作用就像是恒星，尤其是星系的粘合剂。