暗物质最有力的证据是什么(有哪些候选粒子)-昊阳知识网

原创天体生物学

著者：黄姤 / 黄媂

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网络上一直流传着一句经典的用语：

「不要迷恋哥，哥只是个传说，哥早已不在江湖，江湖上却流传着哥的传说」。

在科学界也有一种「传说中的物质」，人类除了知道它的存在以外，却对它一无所知，没有人见过它，没有人找到过它，这种物质看不见、摸不着，但它必须存在。在日常生活中遇到如此灵异的事件，我们往往号称自己见了“鬼”，而科学家显得文雅一些，他们给宇宙中这类看不见、摸不着的物质起了一个名字叫做「暗物质」。

古人知道天上有星星，地下有人群，知道金、木、水、火、土、阴阳五行，现代物理学家不断地探索宇宙发现星系、星云、星系团、恒星、行星、小行星，不断深入微观世界发现电子、质子、中子、夸克、中微子、费米子、胶子等等。可能对于古人们来说我们知道的已经足够多了，可是人类对茫茫宇宙总是陷入这样的怪圈——本以为发现得越多就会对这个世界多了一份了解，可是结果总是知道得越多就发现自己更加的无知，就有更多的地方值得去探索。

图解：「暗物质」模拟图

人类是如何发现暗物质的？

先来举个例子，如果您坐在一辆旋转木马上，木马的转动会使你感受到一股向外甩出的力量，如果木马失控，转速一直加快快到就连爬在上面的蚂蚁都要飞出去的时候，您却安然无恙地坐在木马上面，如果不是见了“鬼”，那么就一定是有什么神奇的力量在作怪。

1933年，瑞士的天文学家兹威基就遇到了这样一件怪事，这位性格怪异、脾气暴躁的科学家观测了一个大约有1000个星系的星系团后，惊讶地发现了一件事，那就是——「一些远离中心的星系围绕中心的运动速度实在是太快了。按照常理来说，这么快的速度应当被甩出去才对，对于如此如此之快的速度，仅仅依靠星系团的引力是远远不够的，那就一定是有什么神奇的力量在拉扯着这些星系。」

兹威基认为遥远的星系团中有一些很独特的物质，它们不发光、也不吸收光、也不反射光，它们似乎只通过「万有引力」对这个世界施加影响，这些物质看不见、摸不着，但是它们有质量，它们是真实存在的，而且通过计算，这些看不见、摸不着的物质似乎比那些发光的物质还要多。

兹威基这个人性格比较怪癖，用现在的话说就是又傲娇又毒舌，他的脸上常年挂着一副咄咄逼人的模样，与同行的关系也非常紧张，总是喜欢把那些跟他学术有不同见解的同事们，亲切地称为“球形的混蛋”，因为这些人不论从哪个角度来看都是混蛋，这些话足以显示出兹威基的傲慢。

图解：弗里茨·兹威基( Fritz Zwicky， 1898~1974) ，瑞士天文学家

上个世纪的70年代，一位女性天文学家鲁宾在研究银河系的恒星运动速度时，也有了一个新的发现，于是「暗物质」这个概念从回收站中被提取出来得以重见天日了。按照「万有引力定律」，如果你围绕着一个大质量的天体旋转，那么离得越近，速度就会越快，比如在太阳系离太阳最近的行星·水星的运动速度就一定要比离得最远的海王星的运动速度要快，如果把这个道理推广到银河系，应当是距离银河系中心越近的恒星运动速度越快，离得越远运动速度就越慢。

然而，鲁宾却发现，无论是远离星系中心的恒星还是距离星系中心更近的恒星，它们的运动速度都差不了很多，仅凭望远镜中看到的那些发光的物质完全是不可能将外围的星体拽住的，它们为什么会像脱缰的野马一样飞出去呢？

对此鲁宾也不得不假设银河系中有一些我们还无法用光线探测到的物质，它们用引力影响了恒星的运动。

图解：图解：鲁宾观测到的银河系中心恒星的运动轨迹

鲁宾当年所处的年代对女性天文学家是非常不友好的，比如她在本科阶段是天文系唯一的女生报考普林斯顿大学天文系时，直接以女性为由拒绝录取。1965年她甚至还是当时第1个使用帕洛玛天文台的女性科学家，如此重要的发现竟然让一个女同志发现了，那岂不是打男同胞们的脸吗？于是鲁宾的研究成果自然是受到了很多嘲讽。更重要的原因是很多人认为这些现象未必不能用其他的原因解释，比如黑洞，比如一些不发光的气体云等等。

图解：薇拉·(古柏)·鲁宾(Vera (Cooper) Rubin，1928年7月23日-2016年12月25日)美国天文学家

总之「暗物质」30年代第1个发现它的人是个疯子，40年后又让一个女同志发现，科学界在上个世纪80年代以前对「暗物质」一直不是非常重视，到了80年代人们在计算星系总质量时又发现了问题。

如何计算星系的总质量？

「广义相对论」告诉我们，无论是普通物质还是「暗物质」，只要有质量就会使时空弯曲，一颗天体的质量越大，附近的时空弯曲程度就会越厉害，一颗遥远的天体发出的光线经过星系后，引力所引起的时空弯曲就会使得光线发生弯折，如果观测到了这些遥远天体图像的弯折就能够计算星系的质量，这种计算方法所得出来的质量叫做——「引力质量」。

图解：质量使时空弯曲

科学家还有另外一种方法，就是通过星系中所有可见的物质发出的光线来计算，这种方法所得的质量叫做「光度学质量」。

科学家经过计算后发现「引力质量」和「光度学质量」似乎怎么样都对不上，总是差了10倍左右，铁一般的事实说明——宇宙中大部分的物质就是看不见的。

「暗物质」的存在，还有另外一个强有力的证据，那就是——「引力透镜」。当光线透过弯曲的时空就会发生偏折，就像光线在棱镜中出现折射一样。

1980年，天文学家的空中发现了两个一模一样的「类星体」，这是人类第1次观测到「引力透镜效应」，从此「引力透镜」变成为寻找「暗物质」的有力武器。例如2007年天文学家在室女星系团中发现了明显的引力效力，却看不见任何恒星星体的物质，但是有一个巨大的引力场，这里很有可能有一个全部由「暗物质」构成的星系。

图解：「引力透镜效应」

距离我们38亿光年的「子弹星系团」附近两个星系来了一次调整的亲密接触，物质融合在了一起合成了星系团，天文学家们先是用光学的方法测量了两个星系普通物质质量的位置，同时又用「引力透镜」测量了星系团中总质量的位置，结果发现了两个位置并不重合，这也就意味着在星系碰撞的过程中，两个星系的正常物质和「暗物质」表现是不一样的。

正常物质之间的碰撞是玩真的，彼此之间会摩擦、会升温、会释放X射线。而「暗物质」它们在碰撞相比之下就是玩虚的了，彼此之间竟然不受阻碍地互相穿过，在碰撞的过程中大量不发光的物质，竟然顺畅地彼此擦肩而过了，只有那些发光的物质彼此粘在一起并摩擦，从而放慢了脚步，这是两种完全不同的碰撞过程。

星系的结合过程中，「暗物质」和正常物质发生了分离，这也是目前为止「暗物质」存在的最有力的证据。

图解：「子弹星系团」附近两个星系碰撞在一起

既然有如此之多「暗物质」存在的证据，那么此时能否人赃并获一举拿下了呢？

上述例举了很多匪夷所思的天文现象，如果我们假设「暗物质」存在，那么这些现象就全部说的通了，但是我们却始终没有抓到「暗物质」的原型来告诉人们这个就是「暗物质」。

根据最新的观测数据显示，在宇宙中所有的物质中，80%以上是「暗物质」，是普通物质的6倍之多，而我们却对它们知之甚少。所谓的「暗物质」看不见、摸不着、也不发射光线、也不吸收光线，主要通过引力与其他物质相互作用，我们只知道它们不带电与普通物质的作用十分微弱，也不参与电磁作用，仅此而已。

另一方面，我们人类有5种感觉——视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉，这些感觉全部是基于电磁相互作用的。比如触觉依赖于电磁振动，而视觉是因为带正电的质子和带负电的电子相互作用的过程中不断发射和吸收光子。而「暗物质」不参与任何电磁作用，当光照在「暗物质」上时它不会有任何的反应，它甚至还可以轻松的从地球的一端穿越到另外一端，我们也不可能用一个容器把「暗物质」装起来，那么应该如何寻找「暗物质」呢？

人们最早认为「暗物质」是一些我们熟悉的不发光的物质，比如黑洞。

「黑洞」和「暗物质」一个暗一个黑，但其实差的很远，黑洞的黑，是指的它能够吞噬一切物质，就连光进入黑洞以后都无法逃脱，但霍金说过黑洞其实并不黑，它强大的引力会使得气体朝向黑洞落下，被加热至几十亿度的高温，会以喷流和风的形式向外辐射物质和能量。2019年科学家还给一个距离地球5,500万光年，质量为太阳60亿倍的黑洞拍了一张照片。

图解：2019年4月10日首张黑洞照片，史上第一张黑洞照片揭开了神秘面纱

而「暗物质」与其说是暗还不如说是透明，它根本不会与任何光线发生作用，给「暗物质」拍照只会让你拍到一片虚无。

还有一个更重要的问题，「黑洞」再黑也是由我们所知的普通物质组成的，比如一颗大质量的恒星，在它的晚年就会演化成为一个黑洞，然而科学家把所有的物质全部算进去后，依然无法解释星系运动速度过快、「引力透镜」、星系碰撞过程中物质分离等问题，所以科学家的结论是——「暗物质」明显不是我们目前所知的任何物质类型。

一方面天文观测的数据表明「暗物质」必须存在。另一方面它又不是我们目前所知的任何物质。科学界此时的情况，就好像考试要交卷了，却发现有好多道题没有写，尽管不知道答案是什么，但是这个时候只能先假设了。

图解：暗物质模拟图

目前科学界最热衷的「暗物质」的答案叫做「大质量弱相互作用粒子，英文简称WIMP」

「WIMP」是一种新的粒子，听名字就知道，它主要参与弱相互作用，与普通物质的作用非常微弱，而且质量比较大。关于大质量弱相互作用粒子，目前已经完成了两项工作：

第一，给它起了一个名字。

第二，我们花了很多钱上天、入地寻找它们。

所谓入地，指的是一种守株待兔式地寻找「暗物质」的方法。科学家假定「暗物质粒子」有一定的概率会与原子核发生碰撞，然后利用灵敏的仪器探测到这种相互作用，但是宇宙射线是这种实验的干扰因素，因此这样的实验必须深入地底，许多国家都通过挖坑的方式埋藏实验室，这其中就包括我国的「锦屏地下实验室」。遗憾的是，目前为止全世界所有的地下探测暗物质的实验室都交了白卷。

图解：中国「锦屏地下实验室」

所谓上天，指的是按照现有的模型，当「暗物质」和它自己的反粒子发生碰撞以后，会像正常的物质一样相互洇灭，然后产生人类可以观测到的高能电子，在宇宙深空精确的探测高能电子也许就能发现暗物质的蛛丝马迹。这里不得不提的就是我国的「“悟空”号暗物质探测卫星」，它是目前世界上观测范围最宽、能量分辨率最优的暗物质探测卫星，然而目前这一方面的搜寻之路也是没有什么有说服力的结果。

图解：「“悟空”号暗物质探测卫星」

就目前来看，不论是上天还是入地，寻找「暗物质」就是这么难。另外还有一种思路，那就是——既然寻找「暗物质」这么难，我们就把它造出来得了，这就是在加速器中制造暗物质。比如说欧洲的「大型强子对撞机」可以将质子加速到接近光速，那么如此高速的质子碰撞，会不会产生「暗物质」呢？

如果碰撞后产生了未知的质量或者能量亏损，这部分亏损很有可能就是被「暗物质」拿去了，科学家曾经对大型对撞机充满了希望，可是即便冲撞的能量已经超过了质子质量的1000倍，却连暗物质的影子都没有发现。如果我们找一个东西一直找不到，一般有两种原因：

这个东西实在是太难找了。

很有可能是因为这种事物根本就不存在。

对暗物质这个问题，如果我们回过头来思考——是不是有可能暗物质本身就不存在，而是我们的理论出了问题？

举例说明：

如果在你的家中有这么一条定律——「妈妈说了算」。

这个定律能够在整个社会上应用吗？显然不能嘛！

我们现有的引力理论是「广义相对论」，它也只能是在太阳系的尺度上得到了很好的检验，但是在星系和宇宙的尺度上，谁也不敢打包票「广义相对论」一定是适用的，于是也有一些科学家认为「暗物质」其实是不存在的，之所以我们不得不假设暗物质存在的原因是，我们的理论还有问题。

1983年，一位以色列的物理学家莫德海·米尔格罗姆曾经有了一个大胆的想法，他提出了一个全新的理论，名为「修正牛顿动力学」，他假设牛顿的引力定律并不完全和距离的二次方成反比，他也假设牛顿的第二定律中还出现了两个不同的加速度，经过他这么一改，很多现象都解释得通了，不过这样一来，我们要把400年来都信奉的牛顿理论推翻，也不知道牛顿得知这件事情以后会不会给这位以色列科学家托托梦。