在20世紀(jì)30年代，一位名叫弗里茨·齊維基的瑞士天文學(xué)家注意到，一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)中的星系相互繞行的速度比它們所擁有的可見質(zhì)量所能解釋的要快得多。他提出了一種看不見的物質(zhì)，他稱之為暗物質(zhì)，可能是通過(guò)引力作用拉扯著這些星系。從那時(shí)起，研究人員已經(jīng)證實(shí)了這種神秘的物質(zhì)可以在宇宙中隨處找到，而且它比構(gòu)成普通物體（如恒星和人類）的正常物質(zhì)要多六倍。然而，盡管在宇宙中看到了暗物質(zhì)，科學(xué)家們對(duì)它還是一知半解。
暗物質(zhì)是什么？
首先，也許是最令人困惑的是，研究人員還不確定暗物質(zhì)到底是什么。最初，一些科學(xué)家推測(cè)宇宙中缺失的質(zhì)量是由小型暗淡的恒星和黑洞組成的，但是詳細(xì)的觀測(cè)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)足夠多的這樣的物體來(lái)解釋暗物質(zhì)的影響。
目前暗物質(zhì)最有可能的候選者是一種假想的粒子，叫做弱相互作用的大質(zhì)量粒子（WIMP），它的行為有點(diǎn)像中子，只不過(guò)比質(zhì)子重10到100倍，正如林肯所寫的那樣。然而，這種推測(cè)只會(huì)引出更多的問(wèn)題
我們能探測(cè)到暗物質(zhì)嗎？
如果暗物質(zhì)是由WIMP組成的，它們應(yīng)該無(wú)處不在，隱形而且很難檢測(cè)。那么我們?yōu)槭裁催€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們呢？雖然它們與普通物質(zhì)的相互作用很少，但總是有一些微小的可能性，暗物質(zhì)粒子在穿越空間時(shí)會(huì)撞到一個(gè)正常的粒子，比如質(zhì)子或電子。因此，研究人員建造了一個(gè)又一個(gè)實(shí)驗(yàn)，深入地下研究大量的普通粒子，它們被屏蔽在干擾輻射之外，這種輻射可能模仿暗物質(zhì)粒子的碰撞。問(wèn)題是什么呢？經(jīng)過(guò)幾十年的尋找，沒(méi)有一個(gè)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了可靠的證據(jù)。今年早些時(shí)候，中國(guó)的PandaX實(shí)驗(yàn)報(bào)告了最新的WIMP未檢測(cè)結(jié)果?？雌饋?lái)暗物質(zhì)粒子可能比WIMP小得多，或者缺乏讓它們?nèi)菀籽芯康男再|(zhì)。
暗物質(zhì)是由一種還是多種粒子組成的？
普通物質(zhì)是由質(zhì)子和電子等日常粒子，以及中微子、μ子和π介子等更多奇特粒子組成的。因此，一些研究人員想知道暗物質(zhì)，它占據(jù)了宇宙中85%的物質(zhì)，是否也同樣復(fù)雜。哈佛大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·卡茨說(shuō)：“沒(méi)有充分的理由假設(shè)宇宙中所有的暗物質(zhì)都是由一種類型的粒子構(gòu)成的?！笨ù恼f(shuō)，暗質(zhì)子可以與暗電子結(jié)合形成暗原子，產(chǎn)生與可見世界一樣多樣和有趣的配置。雖然這樣的設(shè)想在物理實(shí)驗(yàn)室中越來(lái)越多地被想象出來(lái)，但找到一種方法來(lái)證實(shí)或否定它們目前還是讓科學(xué)家們束手無(wú)策。
暗力是否存在？
除了暗物質(zhì)的額外粒子，還有一種可能性是暗物質(zhì)經(jīng)歷了類似于普通物質(zhì)感受到的力。一些研究人員尋找“暗光子”，它們就像正常粒子之間交換的產(chǎn)生電磁力的光子，只不過(guò)它們只能被暗物質(zhì)粒子感受到。正如《生活科學(xué)》網(wǎng)站之前報(bào)道的那樣，意大利的物理學(xué)家們正在準(zhǔn)備將一束電子和它們的反物質(zhì)——正電子，撞擊一個(gè)鉆石。如果暗光子真的存在，電子-正電子對(duì)可以湮滅并產(chǎn)生一個(gè)奇怪的力載體粒子，可能打開一個(gè)全新的宇宙領(lǐng)域。
暗物質(zhì)是否可能由軸子組成？
這是一個(gè)很有趣的問(wèn)題，因?yàn)檩S子是一種假想的粒子，它不僅可以解決強(qiáng)CP問(wèn)題，還可以作為暗物質(zhì)的候選者。隨著物理學(xué)家們對(duì)WIMP的信心下降，軸子開始受到更多的關(guān)注。軸子的質(zhì)量非常輕，可能比質(zhì)子小10的31次方倍。目前有一些實(shí)驗(yàn)正在尋找軸子的存在。最近的計(jì)算機(jī)模擬提出了一種可能性，即這些軸子可以形成類似恒星的物體，它們可能會(huì)產(chǎn)生可探測(cè)的輻射，這種輻射與神秘現(xiàn)象——快速射電暴很相似
暗物質(zhì)的性質(zhì)是什么？
這是一個(gè)很好的問(wèn)題，因?yàn)榘滴镔|(zhì)是宇宙中最神秘的成分之一。天文學(xué)家通過(guò)暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的引力相互作用發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，這表明這是它在宇宙中表現(xiàn)自己的主要方式。但是當(dāng)試圖理解暗物質(zhì)的真實(shí)本質(zhì)時(shí)，研究人員幾乎沒(méi)有什么線索。根據(jù)一些理論，暗物質(zhì)粒子應(yīng)該是它們自己的反粒子，這意味著兩個(gè)暗物質(zhì)粒子在相遇時(shí)會(huì)相互湮滅。國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS）實(shí)驗(yàn)自2011年以來(lái)一直在尋找這種湮滅的跡象，并已經(jīng)檢測(cè)到數(shù)十萬(wàn)次事件?？茖W(xué)家們還不確定這些是否來(lái)自暗物質(zhì)，而且這個(gè)信號(hào)還沒(méi)有幫助他們確定暗物質(zhì)到底是什么。
目前，關(guān)于暗物質(zhì)的性質(zhì)，我們只能做出一些基本的假設(shè)和推測(cè)。例如，我們認(rèn)為暗物質(zhì)：
占據(jù)了宇宙中85%的物質(zhì)，但只占據(jù)了26.8%的總能量密度3。
不與電磁場(chǎng)相互作用，也就是說(shuō)，它不吸收、反射或發(fā)射電磁輻射，因此很難探測(cè)2。
可能由一種或多種未知的粒子組成，比如WIMP、軸子或暗光子等。
可能存在于其他維度中，或者與暗能量有某種聯(lián)系或統(tǒng)一的理論。
可能影響黑洞、恒星和行星，甚至生命的形成和演化。
當(dāng)然，這些都只是一些可能性，并沒(méi)有得到確鑿的證據(jù)。要揭開暗物質(zhì)的真相，我們還需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)。
暗物質(zhì)是否存在于每個(gè)星系中？
這是一個(gè)很有趣的問(wèn)題，因?yàn)榘滴镔|(zhì)是宇宙中最神秘的成分之一。暗物質(zhì)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通物質(zhì)，因此暗物質(zhì)通常被認(rèn)為是控制星系和星系團(tuán)等大型結(jié)構(gòu)形成的主導(dǎo)力量。所以，當(dāng)今年早些時(shí)候，天文學(xué)家宣布他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)幾乎不含暗物質(zhì)的星系——NGC 1052-DF2時(shí)，這讓人感到很奇怪。耶魯大學(xué)的Pieter van Dokkum說(shuō)：“暗物質(zhì)顯然不是形成星系的必要條件?！?/p>
然而，在今年夏天，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇分析，認(rèn)為van Dokkum的團(tuán)隊(duì)誤測(cè)了這個(gè)星系的距離，這意味著它的可見物質(zhì)比第一次發(fā)現(xiàn)的要暗淡和輕很多，而且它的更多質(zhì)量是由暗物質(zhì)組成的。
因此，目前還沒(méi)有確鑿的證據(jù)表明有沒(méi)有不含暗物質(zhì)的星系。大多數(shù)星系都被認(rèn)為含有暗物質(zhì)，而且暗物質(zhì)在星系中起著重要的作用。例如，暗物質(zhì)可以幫助星系保持穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)，也可以影響星系之間的相互作用和演化。如果沒(méi)有暗物質(zhì)，我們看到的宇宙可能會(huì)完全不同。
DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是什么？
這是一個(gè)很有趣的問(wèn)題，因?yàn)镈AMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)是粒子物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期的謎團(tuán)。這個(gè)探測(cè)器位于意大利格蘭薩索山下的一個(gè)地下礦井中，它一直在尋找暗物質(zhì)粒子的周期性振蕩。這種振蕩應(yīng)該是由于地球在繞太陽(yáng)運(yùn)行的同時(shí)，穿越了環(huán)繞我們太陽(yáng)系的暗物質(zhì)流（有時(shí)被稱為暗物質(zhì)風(fēng)）而產(chǎn)生的。自1997年以來(lái)，DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)聲稱看到了這樣的信號(hào)，但是沒(méi)有其他實(shí)驗(yàn)看到過(guò)類似的現(xiàn)象。
要了解這個(gè)謎題，我們需要先了解一下暗物質(zhì)是什么。暗物質(zhì)是一種神秘的物質(zhì)，它不發(fā)光也不反射光，但它卻有著巨大的引力，影響著可見物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。天文學(xué)家認(rèn)為大多數(shù)星系都被一個(gè)看不見的暗物質(zhì)光環(huán)包圍著，就像一個(gè)隱形的氣球一樣。這些暗物質(zhì)光環(huán)的形狀和大小可以影響氫環(huán)的位置和運(yùn)動(dòng)，因此通過(guò)觀測(cè)氫環(huán)，我們可以推斷出暗物質(zhì)光環(huán)的性質(zhì)。
如果暗物質(zhì)是由一種或多種未知的粒子組成的，那么它們應(yīng)該與普通物質(zhì)有一定的相互作用，雖然很微弱。因此，一些實(shí)驗(yàn)試圖在地下深處探測(cè)大量的普通粒子，尋找暗物質(zhì)粒子與之碰撞的跡象。DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)就是其中之一，它使用了鈉碘化晶體作為探測(cè)器。
DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)聲稱發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)粒子與鈉碘化晶體碰撞事件率的年度變化。這種變化被認(rèn)為是由于地球和銀河系暗物質(zhì)暈之間相對(duì)速度的變化引起的，因?yàn)榈厍蛟诶@太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)會(huì)有季節(jié)性的速度差異。這就像我們?cè)陲L(fēng)中騎自行車時(shí)感受到風(fēng)速不同一樣。DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)認(rèn)為這種變化是由于暗物質(zhì)風(fēng)吹過(guò)鈉碘化晶體而造成的。
然而，這個(gè)結(jié)果并沒(méi)有得到其他實(shí)驗(yàn)的支持。許多其他使用不同目標(biāo)材料或探測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何類似的信號(hào)，而且有些實(shí)驗(yàn)甚至排除了DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)所偏好的參數(shù)空間。
暗物質(zhì)是否有電荷？
這是一個(gè)很有趣的問(wèn)題，因?yàn)榘滴镔|(zhì)是一種神秘的物質(zhì)，它不發(fā)光也不反射光，但它卻有著巨大的引力，影響著可見物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。天文學(xué)家認(rèn)為大多數(shù)星系都被一個(gè)看不見的暗物質(zhì)光環(huán)包圍著，就像一個(gè)隱形的氣球一樣。這些暗物質(zhì)光環(huán)的形狀和大小可以影響氫環(huán)的位置和運(yùn)動(dòng)，因此通過(guò)觀測(cè)氫環(huán)，我們可以推斷出暗物質(zhì)光環(huán)的性質(zhì)。
目前，我們對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)還知之甚少。我們只能做出一些基本的假設(shè)和推測(cè)。例如，我們認(rèn)為暗物質(zhì)：
占據(jù)了宇宙中85%的物質(zhì)，但只占據(jù)了26.8%的總能量密度。
不與電磁場(chǎng)相互作用，也就是說(shuō)，它不吸收、反射或發(fā)射電磁輻射，因此很難探測(cè)。
可能由一種或多種未知的粒子組成，比如WIMP、軸子或暗光子等。
可能存在于其他維度中，或者與暗能量有某種聯(lián)系或統(tǒng)一的理論。
可能影響黑洞、恒星和行星，甚至生命的形成和演化。
然而，有些物理學(xué)家提出了一個(gè)更大膽的想法：暗物質(zhì)可能有電荷。這個(gè)想法是由于一種來(lái)自時(shí)間之初的信號(hào)而產(chǎn)生的。這種信號(hào)是由波長(zhǎng)為21厘米的輻射組成的，它是由宇宙初期（大爆炸后約1.8億年）的恒星發(fā)出的。然后它被當(dāng)時(shí)存在的冷氫吸收了。當(dāng)這種輻射在今年二月被探測(cè)到時(shí)，它的特征表明氫比科學(xué)家預(yù)測(cè)的要冷得多。哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家朱利安·穆尼奧斯假設(shè)，有電荷的暗物質(zhì)可能從無(wú)處不在的氫中帶走了熱量，就像冰塊漂浮在檸檬水中一樣。但是這個(gè)假設(shè)還沒(méi)有得到證實(shí)。
如果暗物質(zhì)真的有電荷，那么它可能會(huì)與普通物質(zhì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈和復(fù)雜的相互作用。這可能會(huì)對(duì)我們對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)和演化的理解產(chǎn)生重大影響。
普通粒子能否衰變成暗物質(zhì)？
中子是有限壽命的普通物質(zhì)粒子。在大約14.5分鐘后，一個(gè)脫離原子的孤立中子會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)中微子。但是兩種不同的實(shí)驗(yàn)裝置給出了稍微不同的衰變壽命，根據(jù)《物理評(píng)論快報(bào)》雜志7月份的一項(xiàng)研究，它們之間的差異大約是9秒。今年早些時(shí)候，物理學(xué)家們提出，如果1%的時(shí)間，一些中子衰變成暗物質(zhì)粒子，那么就可以解釋這個(gè)異常。來(lái)自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的克里斯托弗·莫里斯和他的團(tuán)隊(duì)監(jiān)測(cè)了中子的信號(hào)，尋找可能是暗物質(zhì)的跡象，但是沒(méi)有探測(cè)到任何東西。他們?cè)谘芯恐刑岢?，其他衰變情況可能仍然有可能。
暗物質(zhì)是否真的存在？
鑒于科學(xué)家們?cè)谔綔y(cè)和解釋暗物質(zhì)方面遇到的困難，一個(gè)合理的提問(wèn)者可能會(huì)懷疑他們是否走錯(cuò)了路。多年來(lái)，一小部分物理學(xué)家一直在推動(dòng)一種觀點(diǎn)，即我們對(duì)引力的理論可能是錯(cuò)誤的，而這種基本力在大尺度上的作用方式與我們預(yù)期的不同。這些觀點(diǎn)通常被稱為“修正牛頓動(dòng)力學(xué)”或MOND模型，它們認(rèn)為沒(méi)有暗物質(zhì)，而恒星和星系以超快速度相互繞行的現(xiàn)象是由于引力以驚人的方式表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果。物理學(xué)家唐·林肯寫道：“暗物質(zhì)仍然是一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的模型。”然而，反對(duì)者們還沒(méi)有說(shuō)服更廣泛的領(lǐng)域接受他們的觀點(diǎn)。而最新的證據(jù)呢？它也表明暗物質(zhì)是真實(shí)的。
有許多不同的角度證實(shí)了暗物質(zhì)的存在，例如星系動(dòng)力學(xué)和形成、引力透鏡、宇宙微波背景輻射，以及對(duì)可觀測(cè)宇宙當(dāng)前結(jié)構(gòu)、星系的形成和演化、星系碰撞時(shí)的質(zhì)量位置、以及星系團(tuán)內(nèi)星系的運(yùn)動(dòng)的天文觀測(cè)。這些觀測(cè)都不能用廣義相對(duì)論來(lái)解釋，除非存在比可見物質(zhì)更多的物質(zhì)。暗物質(zhì)到底是什么，目前還是一個(gè)謎。它可能是由一種或多種未發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子組成的，比如弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）或軸子。也有可能是由原始黑洞組成的。許多實(shí)驗(yàn)正在直接探測(cè)和研究暗物質(zhì)粒子，但都沒(méi)有成功。
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