暗物质是什么东西？

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暗物质是什么东西？

温柔老虎

暗物质、暗能量都是为了解释实验观测而提出的概念。 暗物质，首先是一种物质，与暗能量不同，暗能量很有可能并不是物质。 目前公认自然界中存在四种相互作用（力）：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。其中弱相互作用和强相互作用是短程力，即我们在宏观尺度根本感受不到（虽然强相互作用的强度本身很强，我们花那么多钱建的加速器对撞机才勉强能把因为强相互作用结合在一起的原子核撞碎），在宇宙尺度或者天文尺度的观测中我们只能探测引力和电磁力的现象。引力的现象基于相对论或者牛顿力学，电磁力的现象简单来说就是探测物体（星球、星系、星系团等等）发出的光。在天文观测的技术中我们可以根据一颗星球发出的光的强度及光谱特征等确定该星球与地球的距离。 暗物质，最开始的证据来自于星系旋转曲线。星系旋转曲线大概指的是某个星系中星体近似绕星系中心做圆周运动的线速度v与该星体与星系中心距离r的函数关系，根据牛顿力学，v反比于r，即距离星系中心越远的星体运动线速度越慢。但是根据实际观测却发现，在r比较大的时候v却并没有减小，因此猜测星系中有某种我们“看”不见的物质提供了引力，在牛顿力学成立的条件下使得距离星系中心较远的星体运动速度很快。这就是暗物质这个概念的起源。这是1930s年代的事情。 至于暗物质本身是什么，我们并不清楚。我们目前认为，首先暗物质的引力效应应该是跟我们可以“看”到的物质是一样的，其次暗物质不发光。却是比较悲哀，我们现在对暗物质是认识并不比1930s年代多。在物理理论中构造一种不发光有引力的物质是很简单的，但是暗物质研究很大的一个问题在于观测。一方面观测的数据很少，在天文学宇宙学方面任何观测都是很贵又需要很多时间积累的，并且引力的效应非常弱很难观测，相对于很弱的信号来说我们（尤其是在地球上的观测）面临着非常多的噪声（干扰）；另一方面问题则更加严重，因为我们只知道暗物质具有引力相互作用，但暗物质的引力效应与可见物质的引力效应是不可区分的，而暗物质其他的性质我们又不知道，所以我们根本没办法说“发现了暗物质”这句话，感觉这已经是哲学上的问题了。目前对暗物质的观测唯一可以做到的就是排除一些暗物质理论，但是就目前的逻辑来说我们只能排除哪些不对但不能证实哪些是对的，这是个比较大的问题。 暗能量问题不甚了解。暗能量的概念来自于我们确确实实观测到了宇宙正在加速膨胀的事实。宇宙是膨胀的，而且膨胀是加速的，这种现象是我们目前的物理理论解释不了的，所以提出一种叫做“暗能量”的东西，认为是这种东西引起了宇宙的加速膨胀。 至于两个都是“暗”的，我们都不知道到底是什么，那为什么还要加以区分呢？我认为本质上来说是这两种东西在引力效应上的反映不同，暗物质就是简单的满足爱因斯坦引力或者牛顿引力理论；而暗能量在引力上的表现很有可能是不满足爱因斯坦理论的，所以它可能根本不是一种物质构成的东西，可能只是特殊的时空结构或者更加奇怪的东西，所以仅仅给它一个绝对不会错的名字“某种我们不知道（暗）的能量”。