如何證明暗物質或暗能量存在？

我們回顧一下，20世紀的20年代，天文學家弗里茨·茲威基發現，星系成團成簇地高速轉動，除非有大量非恆星或非氣體形式的物質存在，否則這些團簇用不了多少時間就會四散而去。20世紀70年代，維拉·魯本在單個星系中發現了同樣的情況。據粗略估計，宇宙中95%的物質都是不為我們所知的東西。將宇宙萬物細分開來，普通物質佔5%，暗物質佔25%，其餘70%是暗能量。現在我還不想從暗能量開始講，暗能量對宇宙膨脹有加速作用，所以如果你不理解暗物質，就很難弄明白暗能量。不是我們不大了解暗物質的起源，只是那個「自然」值（從基於真空能量所做的合理假設得出）是我們實際觀察到的密度的10-100倍。在我看來，這絕對是物理學界最大的問題。我們對暗物質高度肯定的所有知識都已在名稱上表現出來。它不帶任何電荷（光與帶電粒子有強烈的相互作用，所以很容易看到）；它不是由原子構成的，因為原子也比較容易看到。有些人之所以對暗物質如此不屑，是因為他們只看到那些老掉牙的論據，他們這樣武斷是因為：（1）我們從未檢測到暗物質粒子；（2）我們實際上不清楚暗物質是什麼。可是，我們有許多理由相信暗物質的存在，因為星系一旦離開暗物質將會分崩離析。下面是三個很好的理由：一、引力透鏡光線穿過大質量物體時會發生彎曲。因此我們可以利用背景星系的扭曲圖像繪製宇宙質量圖。在那些對戴夫·戈德伯格背景信息感興趣的人看來，這就是我研究的領域。我們對數超大質量的星系團進行了透鏡重建（並且發現了許多額外質量），但是只有一個系統備受媒體關注。著名的子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物。圖像頂部是碰撞的區域（圖中紅色部分）。圖片上的藍色表示引力透鏡顯示質量所在的位置。無論這些質量由什麼組成，都不可能是氣體或恆星。這是迄今最接近「看到」暗物質的圖像。在暗物質研究中，透鏡重建具有雙重功能。我們可以利用它在銀河系裡尋找暗星（或許還有黑洞）。只要有一個暗星或黑洞在更遙遠的恆星面前經過，這顆恆星便會被放大。這種想法聽上去很酷，但是我們現在可以肯定地說，銀河系（可能還有其他星系）里存在的黑洞不夠多，不能解決暗物質問題。二、大爆炸即使你相信宇宙中存在著未被觀測到的質量，這也不意味著暗物質有什麼特別奇異之處，它可能就是普通物質，只是我們不知何故看不見而已。我們很清楚宇宙大爆炸過程中輕元素是如何產生的。事實上，化學非常簡單，真正能夠套入的數字只有宇宙中原子質量的密度。例如，如果宇宙中的所有物質都很普通，那麼我們看到的氘要比實際看到的要少一千倍。三、歷史先例事實上我們還從來沒有看見過暗物質粒子，如果因此望而卻步那就不應該了。1920年，盧瑟福預言中子（也是一種中性粒子，因此很難檢測得到）的存在，過了十二年中子才被發現。狄拉克預言反物質的存在，比第一次檢測到早了27年。1930年，泡利預言了中微子的存在，26年後中微子才被發現。我們有很好的追蹤記錄，所以能夠在看到某些存在物之前推測到它們的存在。我們有好的理論，所以如果大型強子對撞機或其他實驗設備探測到「最輕超對稱粒子」，那也是意料中的事；如果最終證明是其他什麼，我也同樣不會感到驚訝。這還不是全部。我們的宇宙圖像如果加入了暗物質，就能夠非常完美地解釋一切，包括宇宙微波背景中分布的熱暗斑塊和宇宙的年齡、星系的演變和結構。如果沒有暗物質，這一切都解釋不通。不過仍然有人可能會說，修正了的牛頓動力學能解釋暗物質的必要性嗎？從根本上說，這是在問如果愛因斯坦錯了怎麼辦。當然，愛因斯坦可能錯了。如果是這樣的話,我們的一兩個論點會有點麻煩，但不影響其他。但是牛頓動力學有一個非常大的障礙要克服：它必須能夠解釋相對論。無論到哪天，我都把寶押在暗物質和廣義相對論上。戴夫·戈德伯格，德雷克塞爾大學物理學副教授，和傑夫·布朗奇斯合著有《宇宙用戶指南:在黑洞、時間悖論和量子不確定性中生存》。
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