暗物質到底是什麼？

01-26

有人說過：「洞察宇宙的身世，是人類智慧的驕傲。」但我想他說這話時，恐怕沒把宇宙間最大一股勢力考慮進去——這就是暗物質和暗能量。今天我們先說說神秘的暗物質。

暗物質，英語叫Dark matter，是相對於我們常說的可見物質、普通物質，或者叫可觀測物質來說的，這種物質無法被人類直接看見或者觀測到。

大家知道，可見物質之所以可見，就在於微觀尺度下，電子與光子發生相互作用，從而被我們肉眼看到，或者被各種觀測儀器捕捉到。

但是暗物質恰恰相反，

它根本不跟光波發生作用，對各種光作用都無動於衷，

所以才導致人類既看不見，又測不到它。

科學家之所以叫它暗物質，除了玩點神秘感以外，最主要就是因為看不見、測不到它，只好叫它『暗物質』，跟一般的『明物質』相對應。至於說，跟暗黑力量、黑暗世界、黑暗料理啥的，沒有任何關係。

有人問了，

既然看不見、測不到，為啥科學家還能知道它存在呢？

這得從頭說起——

史上著名的大人物比如開爾文、龐加萊，都曾猜想過宇宙間存在「黑體」，也就是後來人說的暗物質。

但事實上，暗物質可不只是大科學家的猜想而已，最先靠的是強有力理論推導出來的——這個理論就是最著名的廣義相對論。

早在1915年，愛因斯坦剛剛提出廣義相對論的那一年，他就得出推論：宇宙物質的平均密度必須達到5×10^-30克／立方厘米，這樣全宇宙才能保持穩定。後來經觀測得出，宇宙物質密度遠遠小於這個理論值，竟整整小了100倍。

▲愛因斯坦和德西特聯手寫了一篇有關宇宙存在「看不見物質」的論文。

儘管當時，愛因斯坦不可能預知到這個觀測值，但他知道這個的確很重要，還跟荷蘭天體物理學家威廉·德西特，共同發表一篇有關宇宙存在「看不見物質」的論文。

大師就是大師！重大事件總能跟大師扯上關係。德西特後來還被天文學界譽為「暗物質和暗能量的理論先驅」。至於愛因斯坦——「現代物理學祖師爺」這一個光環就夠了。

1932年，另一位荷蘭天文學家——揚·奧爾特（太陽系最外層奧爾特雲就是以他命名的），提出了銀河系中存在大量暗物質的設想。

▲茲威基

1933年，在加州理工上班的瑞士天文學家茲威基，在推算星系團平均質量時，發現星系質量與觀測亮度相差160倍，因而推導出星系團里絕大部分物質都是看不見的。

順便說一下，後來他的研究方向，從宇宙最暗的物質（暗物質）轉到了最亮的星體（超新星）——52年間，他竟然發現了120顆超新星。看出來沒？凡是跟暗物質扯上關係的，各個都是神人！

有關暗物質的存在，

最有力的證據就是「星系自轉問題」和「引力透鏡效應」。

▲薇拉·魯賓

1970年代，美國女天文學家薇拉·魯賓就是最早從「星系自轉問題」入手的。

我們都知道，太陽系所有行星都繞著太陽跑，距離太陽越遠，公轉速度越慢。根據引力理論，旋轉星系也應該遵循這一規律（開普勒定律）旋轉才對——但是觀測結果卻大大出乎意料，處在遠離星系中心的恆星，公轉速度要比開普勒定律的理論值大很多，恆星速度越大，需要拉住它的引力就越大。

但問題是，這種巨大引力是從哪裡來的？這就是『星系自轉問題』——

結果只能導向一種解釋：全靠暗物質出手相助！幕後操縱！否則，要麼不是旋轉星系早散架了，要麼就是星系必須老老實實地遵循開普勒定律。

暗物質存在的另一個強有力證據，就是「引力透鏡效應」。

剛才說了，既然暗物質具有引力效應，就應該造成廣義相對論所預言的時空彎曲。

當光線透過彎曲的時空，就會產生偏轉，就像光線在稜鏡中出現折射現象一樣。這就是愛因斯坦早有預言、並在天文學界反覆觀測證實了的「引力透鏡效應」，於是也有人管這叫『愛因斯坦望遠鏡』。

1980年，天文學家觀測到類星體Q0957+561發出的光，就是兩個一模一樣的類星體，這是人類第一次觀測到引力透鏡效應。

▲利用引力透鏡效應，成為當代天文學家觀測暗物質的最好方法。

從此以後，利用這種引力透鏡效應，成為當代天文學家觀測大尺度範圍內的暗物質的最好方法。

▲這是子彈星系團的合成圖像，子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物，粉色部分為普通物質，藍色部分為暗物質，利用引力透鏡觀測得到。

▲這個暗星系全部由純暗物質構成。

2007年，天文學家觀測到室女座星系團里的NGC4254，旁邊存在著明顯的引力效應，後來又經過荷蘭射電天文望遠鏡和哈勃太空望遠鏡的多次觀測，證實了該星系旁邊存在著一個全部由純暗物質構成的巨大存在，這個暗星系被命名為VIRGOHI 21——看不見任何一顆恆星、星體等普通物質，但存在一個巨大的引力場。

說到這兒，很容易叫人聯想起《三體·死神永生》：程心和艾AA從286光年之外回望被二維化的太陽系時，關一帆那句話裡有話：那片空蕩蕩的太空中應該存在著一個完全看不見的引力源……（此處，是不是有些細思極恐？！當然，這只是大劉的妙筆而已。）

▲MACS1206星系團，周圍存在大量的暗物質。

2011年，天文學家又發現離我們45億光年以外的MACS1206星系團，周圍存在大量的暗物質，具有超強的引力，整個空間都出現了變形現象。

問題來了，

神秘的暗物質是不是無處不在？

我們銀河系存在著暗物質嗎？

▲天文學家根據哈勃太空望遠鏡利用弱引力透鏡法測得的數據，繪製成宇宙大尺度下的暗物質分布圖。

首先，暗物質並非「道」，不是無處不在的，它只是在宇宙某些地方聚集成團。至於啥分布規律？不得而知。因為從目前觀測來看，暗物質既存在於星系團周圍，也存在於看起來什麼都沒有的空間。

其次，銀河系周圍的確存在大量的暗物質。

根據引力理論，靠近銀河系中心的恆星，應該旋轉得比邊緣的恆星更快，但經過多年天文觀測發現，位於銀河系內部和邊緣的恆星們，大體都以同樣的速度繞著銀河系中心旋轉。

▲這是藝術家構想的存在於銀河系外盤的巨大暗物質。

這就意味著：銀河系及其外盤存在著大量暗物質，大到多少呢？據估計，這團暗物質形成了一個半徑為銀河系半徑10倍大的巨大存在！

▲暗物質當然也存在於地球附近甚至地核。當一股暗物質粒子穿過地球時，形成這種酷似頭髮的現象，NASA／JPL發布的暗物質示意圖。

經過上百年的摸索，暗物質終於從理論走到前台，從被動發現轉到主動探測，上到天上衛星探測器，下到地下深處的隧道，上到中國悟空號暗物質粒子探測衛星，下到錦屏地下實驗室，再到歐洲的大型強子對撞機……科學家們窮盡各種方法，想要直接觀測到全宇宙最幽暗、最神秘的物質，一探究竟，到底是個神馬東東？

但結果還是知之甚少。

目前為止，能夠確定的是，暗物質占整個宇宙物質成分的26.8%。暗物質的引力效應跟普通物質之間的引力一樣，使得它們聚集成團，彼此向內拉拽。

從目前觀測結果看，暗物質的運動速度遠遠低於光速。構成暗物質的粒子應該是電中性的。有科學家稱，最有可能的是——已知61種基本粒子中的3種中微子和3種反中微子。暗物質也能湮滅成粒子與反粒子……當然，這一切還在探索中。

▲宇宙大尺度結構是纖維狀結構和宇宙長城，這中間就是宇宙空洞，而支撐空洞存在的力量就是暗物質。

至於說，

探測暗物質到底有啥用？

這就像人類在18世紀探知電為何物的當初，誰都無法想像21世紀電無處不在的時代一樣。

何況暗物質關乎宇宙的最初奧秘，還決定著宇宙未來的命運，甚至可能決定著太陽系的未來。

▲根據普朗克衛星的觀測數據，暗物質占整個可觀測宇宙質量和能量的26.8%，暗能量佔68.3%，普通物質只有4.9%。

更何況，暗物質還佔據著全宇宙26%的話語權，人類尚且連4.9%的物質世界都還沒搞懂的情況下，竟敢越俎代庖，敢說揭開宇宙奧秘了？

所以，當我們看到史蒂芬·霍金曾經說過：「我們可能已經接近自然界的終極定律，有理由對此持謹慎樂觀的態度」，我寧願相信他是故意這樣說的，有意忽略掉當今宇宙學的幾大疑團，目的是為瞭望梅止渴，催人奮進。

畢竟，科學的本質其實是永遠探知未知。未知永遠比已知更多。