大家好，我是西昆侖Bruce。

今天我們來聊一聊科學(xué)界一些神秘且充滿傳奇色彩的物質(zhì)——暗物質(zhì)。

你是否想過，宇宙到底是由什么構(gòu)成的呢？根據(jù)現(xiàn)有的宇宙學(xué)模型，我們的宇宙大約誕生在138億年前，就像如今所了解的那樣，宇宙大爆炸產(chǎn)生了現(xiàn)有的時(shí)空，現(xiàn)在存在的一切，都是源于那一場大爆炸。

隨著科技的不斷進(jìn)步，天文學(xué)家和物理學(xué)家開始利用更先進(jìn)的技術(shù)去探索宇宙，不斷發(fā)現(xiàn)星系、星云、星系團(tuán)、恒星、行星、小行星等等。本以為我們已經(jīng)知道的夠多了，但是從上世紀(jì)開始，一些觀測結(jié)果表明，可能還有更多值得去發(fā)現(xiàn)的地方：

暗物質(zhì)存在的證據(jù)

現(xiàn)在，物理學(xué)家們認(rèn)為，宇宙只有15%的物質(zhì)是可以檢測的，剩下的大部分我們無法直接觀測到，所以科學(xué)家們稱這一部分是"暗物質(zhì)"。

"暗"指的是本身不發(fā)光，它不吸收、不反射光和其他電磁輻射，只能間接地檢測到其存在。

科學(xué)講究證據(jù)和實(shí)際觀測結(jié)果，所以要證明暗物質(zhì)是不是真的存在，需要用事實(shí)說話：

證據(jù)一：旋轉(zhuǎn)速度。

首先說一下基本前提，根據(jù)牛頓萬有引力定律我們知道，漩渦星系中，越靠近外圍的天體圍繞星系團(tuán)中心的運(yùn)行速度，比靠近中心天體的速度會(huì)慢一些。

從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，科學(xué)家們開始對(duì)所謂的"模糊恒星"和"暗氣體"感興趣，這些是通過望遠(yuǎn)鏡無法識(shí)別到的少量發(fā)光物質(zhì)。

1877年，意大利神父、天文學(xué)家安吉洛·西奇在自己的一篇論文中，問了自己一個(gè)關(guān)于太空中分散的暗物質(zhì)存在的問題；1933年瑞士物理學(xué)家茲威基試圖去了解星系中原子團(tuán)簇的一些特性，當(dāng)他觀測距離地球1.5億光年外后發(fā)座的星系團(tuán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)各個(gè)星系相對(duì)于星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度有些異常，它們的旋轉(zhuǎn)速度比理論值快了100倍左右，也就是說，對(duì)于如此快的運(yùn)行速度，僅僅依靠星系團(tuán)的引力作用根本不夠。于是他認(rèn)為，暗物質(zhì)可能比發(fā)光物質(zhì)的存在量更大。

不過由于當(dāng)年他在天文學(xué)領(lǐng)域的個(gè)人名聲不是很好，脾氣暴躁，所以那個(gè)年代他的想法被認(rèn)為是荒謬的。

6年以后，天文學(xué)家巴布科克發(fā)現(xiàn)了恒星運(yùn)動(dòng)中的其他異常現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)仙女座星系外圍區(qū)域的星體的旋轉(zhuǎn)速度，和萬有引力理論不匹配，因?yàn)榘蠢碚f越靠近邊緣地帶，受其中心引力影響就越小。不過在當(dāng)時(shí)，還是被認(rèn)為是技術(shù)原因?qū)е碌臏y量誤差。

直到20世紀(jì)70年代，事情重新浮出水面，一些宇宙學(xué)家認(rèn)為有充分的理由，認(rèn)定星系的質(zhì)量被低估了10倍甚至更多。一個(gè)重要證據(jù)來自1970年美國天文學(xué)家魯賓利用高精度的光譜測量技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了和1933年茲威基一模一樣的結(jié)論。

證據(jù)二：引力透鏡效應(yīng)。

其實(shí)對(duì)于上面的發(fā)現(xiàn)，為什么一直沒有引起足夠的重視呢？原因有很多，其中之一就是一些人認(rèn)為這個(gè)現(xiàn)象，未必不能用其他原因來解釋，比如宇宙中的黑矮星（燃料耗盡的恒星冷卻而成）、黑洞、不反光的氣體云等等，那也都是看不著的。

直到上世紀(jì)80年代，人們把上面這些不發(fā)光的天體和已知發(fā)光天體按照估計(jì)的最大值進(jìn)行相加，卻發(fā)現(xiàn)星系總體質(zhì)量依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期的質(zhì)量。

說到這里，首先來說明一下科學(xué)家們是如何評(píng)估星系質(zhì)量的。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，天體質(zhì)量越大，它周圍時(shí)空的彎曲度就越厲害，甚至連光都不能直線前進(jìn)。所以我們只需要觀察一個(gè)遙遠(yuǎn)的天體，那么我們所需要研究的星系團(tuán)，就相當(dāng)于是放置在中間的一個(gè)有質(zhì)量的電磁源，這個(gè)時(shí)候，我們?nèi)绻^測到遙遠(yuǎn)天體的圖像發(fā)生了彎折，那就可以知道在途經(jīng)星系團(tuán)，碰到過多少物質(zhì)。

以此就可以計(jì)算出星系的質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量叫做"引力質(zhì)量"。然后再根據(jù)星系的整體亮度，計(jì)算出星系的可見物質(zhì)的總質(zhì)量"光度學(xué)質(zhì)量"，將二者進(jìn)行對(duì)比，即可得出結(jié)論。

可是科學(xué)家們通過大量的星系測試，發(fā)現(xiàn)絕大部分星系的引力質(zhì)量，大于光度學(xué)質(zhì)量10倍甚至百倍。

這就很明顯，間接說明大部分物質(zhì)目前來看，真的不可見。

證據(jù)三：宇宙背景輻射（CMB）。

我們知道，現(xiàn)在的宇宙是大爆炸之后形成的，而根據(jù)宇宙學(xué)，當(dāng)時(shí)大爆炸遺留下來還有熱輻射。這是1964年美國射電天文學(xué)家彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)的，這種最古老的電磁輻射，由于最初的細(xì)微溫度漲落，對(duì)應(yīng)著局部密度的細(xì)微差異，從而代表著所有未來的結(jié)構(gòu)，也就是當(dāng)今恒星和星系的種子。

那么這到底是和暗物質(zhì)有什么關(guān)聯(lián)呢？

根據(jù)這個(gè)理論的模型，輻射可以精確地重建宇宙。事實(shí)上，如果我們繪制宇宙輻射波動(dòng)的圖表，就可以發(fā)現(xiàn)其中有關(guān)暗物質(zhì)的數(shù)據(jù)集，從曲線中可以看出我們推論宇宙的質(zhì)量不能僅由普通物質(zhì)構(gòu)成，否則將會(huì)得出不同的圖表。

說的通俗一點(diǎn)，就是有大量的物質(zhì)不會(huì)與電磁射線相互作用，所以我們不能直接看到也沒有辦法檢測到。這也是科學(xué)家們對(duì)于暗物質(zhì)特性的推斷，那就是它不參與電磁相互作用。而電磁力作為一種基本力，可以反映我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活的絕大部分感知，如溫度高低，物體軟硬程度等等。

暗物質(zhì)究竟是什么呢？

那么暗物質(zhì)到底是什么呢？由什么構(gòu)成呢？

隨著時(shí)間的推移，人們已經(jīng)做出了多種假設(shè)：起初人們認(rèn)為這些物質(zhì)是看不見的恒星和氣體，后來發(fā)現(xiàn)即使這些算上，也還是遠(yuǎn)低于缺失的質(zhì)量，最多占比15%。

于是后來的WIMP（弱相互作用質(zhì)量粒子）成為了最被廣泛討論的暗物質(zhì)候選者之一。既然對(duì)于強(qiáng)作用力和電磁力無感，那么暗物質(zhì)會(huì)不會(huì)參與弱相互作用呢？

這些粒子是塊狀的粒子，相互之間作用非常微弱，不過它們能夠隨時(shí)隨地穿過地球，如果暗物質(zhì)真的以這種方式存在，那么這些粒子就可以通過對(duì)撞來發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@種粒子自己是自己的反粒子，所以兩個(gè)粒子相互對(duì)撞，那就會(huì)產(chǎn)生湮滅現(xiàn)象，同時(shí)釋放反電子和反質(zhì)子。

所以科學(xué)家們想到了利用太空探測器進(jìn)行探測，比如阿爾法磁譜儀（關(guān)注反電子）、帕梅拉探測器、費(fèi)米衛(wèi)星和中國的悟空號(hào)探測器（2017年有發(fā)現(xiàn)特殊的峰值出現(xiàn)）。

但是這也只是一種間接的辦法，要想找到直接的證據(jù)，就需要用一些特殊的裝置，來直接捕獲WIMP粒子。比如意大利的地下格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室、日本的超級(jí)K中微子探測器、我國四川錦屏山地下隧道兩個(gè)大型暗物質(zhì)探測裝置等等地下設(shè)備。

之所以選擇地下，是為了屏蔽外界一些干擾粒子，而暗物質(zhì)假定是可以穿透地球的，所以如果能夠檢測到，就能證實(shí)是暗物質(zhì)。

不過到目前為止，依舊還沒有能夠檢測到WIMP粒子。所以也依舊有不少的科學(xué)家不相信暗物質(zhì)的存在。但是相信總有一天，科學(xué)家能夠有所發(fā)現(xiàn)。

而這，不應(yīng)該成為人類的煩惱，因?yàn)?，哪怕是物質(zhì)，可能也僅僅只是宇宙神秘的一部分而已，如果整個(gè)宇宙只是一個(gè)意識(shí)體呢？（細(xì)思極恐）