暗物质-宇宙中神一般的存在

星星糖SUNG

暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量约5％左右。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。

几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。

大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。

什么是暗能量

宇宙学中，暗能量是某些人的猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今，这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。

暗能量主要有两种模型：宇宙学常数（即一种均匀充满空间的常能量密度）和quintessence（即一个能量密度随时空变化的动力学场）。区分这两种可能需要对宇宙膨胀的高精度测量和对膨胀速度随时间变化更深入的理解。因为宇宙膨胀速度由宇宙学物态方程来描写，所以测量暗物质的物态方程是当今观测宇宙学的最主要问题之一。

暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。

暗物质的发现历程

早在1930年代就有科学家在观测星系周围恒星时，发现这些恒星跑得特别快。当然，我们也知道速度是相对的，这个“快”究竟是快的呢？

简单来说，就是按照理论计算，我们可以得到一个恒星相对于星系质心的运动速度，可实际上一观测就发现，这个速度不符合理论，要快出很多。其实科学家最喜欢看到这种情况了，因此有异常就意味着有机会搞出新理论。不过，当时发现这个现象的两位都是大神，手头上都有更重要的研究要搞，就放弃了这个研究。

?这个问题同样发生在银河系，就拿太阳来说，理论计算值得到的是太阳速度是160km/s，而实际上测到的速度却是220km/s。

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但是我们要知道，科学家的计算方式是通过牛顿理论。牛顿理论已经被证明是极其精准的理论，经受住了很多考验，大概率上是不会出问题的，但也不是观测错了。因此，有可能是存在着什么因素我们没有考虑进去。

科学家通过计算发现，如果要让恒星这样高速运动，还需要额外5倍左右的引力。所以，科学家就解释了存在一种东西叫做：暗物质。它参与引力作用，提供了额外的引力。而且暗物质的总量大概是已知物质总量的5倍之多。

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但是，你可能要说了，感觉就是凭空想象出来的一个东西，它真的存在么？实际上，科学家不仅仅是想象，还真的就去仔细观测了。无论是间接观测还是直接观测在近些年来已经有很多了。包括我们国家的悟空探测器也是专门用观测暗物质的。在未来，各国也都在计划增加暗物质观测的相关项目，这是目前非常前沿的科学研究。（下图中就是通过引力透镜效应观测到的暗物质的踪迹，图中用蓝色标出的就是暗物质。）

?基于目前的观测结果来看，我们可以确定暗物质是存在的。但是还没有办法确定暗物质的具体性质。

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暗物质的特点

之所以很难确定暗物质的具体性质，主要原因就是暗物质太奇葩了。在自然界中，存在着四种作用力，分别是引力，强相互作用，弱相互作用和电磁相互作用。

?其中强相互作用的强度是最强的，电磁相互作用其次。然后是弱相互作用第三，引力最弱。我们在观测天体时，通常使用的是电磁相互作用。说白了，就是天体发出的光子来到地球，被我们捕获到，而光子就是参与到电磁相互作用当中的。

?而暗物质是不参与强相互作用和电磁相互作用的，因此，我们根本无法通过常规手段观测到它。它可能只参与弱相互作用和引力。而弱相互作用和引力是很弱很弱的，其次弱相互作用的发生概率极其低。所以，我们才会很难感知到的暗物质的存在。

按照目前的主流理论，也即是冷暗物质模型。科学家认为暗物质是均匀分布在整个宇宙空间的，包裹着我们的星系。其中“冷”说的其实是暗物质只是极其缓慢的移动。也就是说，由于暗物质这样的特性，即使它现在正在穿过你的身体，你也压根感觉不到。

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以上这些，就是目前对于暗物质的一些看法，但是如果你非要问暗物质到底是什么，其实科学家是没办法回答你的。而且它大概率是由我们未知的物质粒子构成的，也就是说，构成它的粒子并不在目前的粒子物理学标准模型当中。这也是为什么，现在各国都在想尽各种办法去研究暗物质的原因。因为对于暗物质的了解很有可能会引发物理学理论的革命。而每一次物理学理论的革命都会带来巨大的科学技术的革命。

原文地址：今日头条

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循环，或者旋转是宇宙的法则。宇宙中没有一物是停止在某处的。——谷口正和 @Amy医生