暗物質要我說，它是僅次於反物質消失之謎的第二大宇宙未解之謎，一度看似即將揭開謎底，又變的撲朔迷離，讓天文學家和天體物理學家們感到前所未有的困惑。關鍵是這些物質完全看不見。下面就說下，我們如何透過測量發現宇宙的質量缺失，以及我們現在已經確定知道的暗物質是什麼？

“暗物質”這個短語是如何闖進宇宙學的

上世紀30年代，弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky）在觀察密集的星系團（如下圖中的后髮座星系團）時，首次注意到宇宙中的質量缺失問題。

我們知道引力是如何影響星系團或者星系旋轉的，所以根據星系團內星系的運動，就能計算出星系團的總質量。這是根據萬有引力來確定星系的質量，我們還有另外一種辦法！

根據恆星的質光比，我們就能確定恆星的質量，那麼根據整個星系的光度，也能來計算出由恆星構成的星系質量，乃至星系團的質量。以上兩種不同的方法都可以用來測量同一組星系團的質量。

首先有一個事實，恆星的質量一般會佔一個恆星系統的絕大多數質量，例如：太陽佔了太陽99.9的質量！如果恆星構成了宇宙質量絕大部分，那麼透過以上測量的星系團質量這兩個兩個數字是匹配的，或許有一點點誤差。事實證明這兩個數字不但不接近，而且來自重力和星光測得質量相差50倍。

你可能會想，星系中除了恆星還有其他很多東西！對，沒錯！

星系中還有行星，氣體，塵埃，等離子體，小行星，彗星，冰。所以“缺失質量”是不是由這些物質構成的？也是一些其他形式的質子，中子和電子。

其實我們有三種完全獨立的方法，可以非常精確地測量我們的宇宙中有多少是由我們熟悉的“正常物質”構成的，也就是質子，中子和電子。

我們可以追溯到大爆炸後的最初幾分鐘，並計算出宇宙中有多少輕元素：氫、氦、鋰及其同位素，這些輕元素是在大爆炸核聚變（BBN）期間產生的。它們的丰度只依賴於一個引數：重子數（質子和中子的總和）與光子數之比。我們測量了輕元素，得到了宇宙中質子和中子的數量。

我們可以觀察宇宙微波背景（CMB）的波動模式。不同峰值的位置和高度告訴我們兩件事：宇宙中有多少普通物質（質子、中子和電子），以及有多少總物質（所有具有引力質量的物質總和）。我們得到一個比例。

最後，我們可以在最大的尺度上觀察宇宙。我們可以觀察星系、星系團和超星系團是如何聚集在一起的，並探索宇宙的大尺度結構（LSS）。我們也得到了：普通物質的量和總物質的量。

所有這三種測量（BBN、CMB和LSS）都給出了相同的值：包括恆星在內的全部物質中，約15%是正常物質，其餘約85%是不發光或不吸收光的物質。考慮到所有這些物質加起來只佔宇宙總能量的30%多一點（其餘的都是暗能量），我們發現用三種獨立的測量方法得出來的結果是，只有不到5%的宇宙是由正常物質組成的。

那麼暗物質是什麼呢？沒有與光（電磁波）相互作用的質量是什麼?

有一種候選粒子，也是宇宙中已知的第二豐富的粒子，它是大爆炸遺留下來的：中微子！那麼這麼大量的中微子是咋來的？

在早期宇宙粒子-反粒子對以幾乎同等的數量大量的產生，這時也生成了不起眼的中微子(和反中微子)。

但是當宇宙非常年輕的時候，也就是大約在大爆炸後的一秒鐘中微子就被“凍結”了，意思是宇宙的溫度和密度下降到，讓中微子停止與其他形式的物質和自己發生相互作用。（這和中微子的質量和反應截面有關）

如果中微子是完全無質量的，那麼它們的能譜和分佈就會非常類似於大爆炸後剩餘的光子：宇宙微波背景輻射。

中微子背景會有一些細微的差別：中微子的溫度會稍微低一些（1.96 K），能量只有光子總能量的2/3左右，而且在宇宙的每立方厘米中會有將近300箇中微子。

中微子有三種不同的型別，它們的丰度相同。如果中微子每一種的質量只要有3.7 eV（記住，第二輕的粒子電子，質量約為511000 eV），那麼100%的暗物質都是由中微子構成的。事實上，三種中微子的質量如何分配並不重要；只要三種中微子的質量（e,μ和τ）接起來有11.2 eV，那麼它們將會是所有的暗物質。

但理論是美麗的，現實很殘酷！科學家有時覺得真的快解開謎底了，但是透過對宇宙微波背景的測量，我們發現這三種中微子質量之和的上限僅為0.18 eV，這意味著暗物質中最多1.6%是以中微子的形式存在的。

透過對中微子振盪的觀察，我們知道中微子質量總和有一個下限：0.06 eV，這意味著至少0.55%的暗物質是以中微子的形式存在的。

當宇宙還年輕的時候，中微子移動得很快，這意味著它是熱暗物質的一種形式。宇宙年輕時移動緩慢的暗物質更冷，根據暗物質是熱的、暖的還是冷的，在宇宙中不同的尺度上形成不同的結構。

雖然大尺度結構告訴我們，絕大多數暗物質要麼是冷的要麼是熱的，但我們知道有一小部分熱暗物質，而這實際上就是中微子！

總結：中微子是我們目前確定的暗物質形式，可它只解決了0.5%到1.4%的問題

到目前為止，我們還很難找到其他的98.4到99.45%的暗物質，但中微子是我們所知的重子之外唯一的暗物質形式，它只是暗物質的冰山一角，是我們今天所知道和理解的唯一一點暗物質！下面再來看看宇宙中所有的物質，它是如何組成的：

大約15.5%是正常物質：由質子、中子和各種不同形式的電子組成的物質。

在所有物質中，中微子佔0.5%到1.4%。中微子是宇宙中已知質量最小的非零粒子，其數量比質子、中子和電子多十億倍。

遺憾的是，宇宙中大約83%的物質是某種“其他”形式的暗物質，它們要麼是冷的要麼是熱的，而我們至今還沒有發現它們。

科學家透過哪些方法確定暗物質存在？目前確認的暗物質形式是什麼？

♥回答這個問題得首先了解暗物質和絃。不然將是一頭霧水。

●宇宙中的如何物體都可以用三個數字來描述:長度、寬度和高度。如果再加上時間，那麼4個數字就可以描述宇宙中的如何事件。

●這裡就出現了弦理論→ 弦理論認為宇宙最初是十維的，但由 6 個維度捲曲起來讓我們產生了錯覺，認為這個儘管弦理論的這個特徵聽起來很奇妙，但是我們更高的維度。

●但是更高維度如何幫助弦理論統一相對論和量子力學呢？

如果你嘗試將引力、核力和電磁力統一到一個理論中，你就會發現在四維空間沒有足夠的空間來完成這個任務。它們就像拼圖 片中無法放在一起的碎片，但是一旦你開始增加，有了越來越多的維度，就會找到足夠的空間來拼裝這些較低階的理論，就像把拼圖拼成一個整體一樣。

● 在 20 世紀 60 年代，天文學家研究銀河系的自轉時，發現了一個奇怪的現象。它旋轉得非常快，按照牛頓定律，高速旋轉的它應該會散開。然而銀河系已經穩定存在了約 100 億年。事實上，根據傳統的牛頓力學，銀河系的旋轉速度應該是觀測到的速度的10倍。

♥這提出了一個重大帶有學術性的問題。要麼牛頓的方程錯了(這幾乎是不可想象的)，要麼有未知物質組成的不可見暗暈圍繞著星系，使星系的質量足以讓引力把它們聚集在一起。這也許意味著,我們看到的美麗星系和它們美麗旋臂的圖片並不完整，它們實際上被一個巨大的不可見 暗暈包圍著，其質量是可見星系的十倍。由於星系的照片只顯示了恆星的質量，所以無論是什麼東西把質量聚集在一起的，它都不與光相互作用，它必須是不可見的。

●天體物理學家將這種缺失的質量稱為暗物質。它的存在迫使科學家修改了理論。過去這些理論認為，宇宙主要由原子構成。現在我們有了整個宇宙中暗物質的分佈地圖。雖然看不見它，但它會像任何有質量的物體一樣使星光發生彎曲。因此，透過分析星系周圍星光的扭曲，我們可以用計算機計算出暗物質的存在，並在宇宙中繪製它的分佈。可以肯定的是，這張圖片顯示星系的大部分質量都以這種形式存在。

●除了不可見外，暗物質還有引力，但你不能把它握在手裡。因為它根本不與原子相互作用(它是電中性的)，它會穿過你的手、地板然後穿過地球的地殼。它會在紐約和澳洲之間振盪，就好像地球根本不存在一樣，只不過它會被地球的引力束縛。因此，儘管暗物質是不可的，但它仍然透過引力與其他粒子相互作用。

●有一種理論認為，暗物質是超弦的高頻振動。至於這種超弦是什麼，呼聲最高的候選者是光子的超粒子,它被稱為“photino”或“小光子”。它的所有特徵都符合暗物質:它不可見，因為它不與光相互作用，但它有重量，而且是穩定的。

●還有另一種方法可以證明這個猜想。因為地球在這種看不見的暗物質中移動，所以人們希望暗物質粒子可能會在粒子探測器內與質子碰撞，從而產生一簇可能被拍攝下來的亞原子粒子。目前世界各地的物理學家都在耐心地等待著在探測器中發現物質和暗物質碰撞的蹤跡。諾貝爾獎彷彿在向第一個獲得成功的物理學家招手。

●如果發現暗物質，無論在粒子加速器還是地面感測器中，我們都能將其特性與弦理論預言的特徵進行比較。透過這種方式將有 證據來評估這一理論的有效性。

●儘管尋找暗物質是證明弦理論的重要一步，但用其他方式或物質來證明也是有可能的。例如，牛頓的萬有引力定律支配著恆星和行星這些大物體的運動，但是其對引力在短距離上的作用卻知之甚少，比如在幾英寸或幾英尺內的尺度上的作用。由於弦理論假定了更高的維度，這意味著牛頓著名的平方反比定律(即引力隨著距例地減小)在很小的距離上不再成立，因為牛頓定律是建立在三維空間的基礎上的。(例如，如果空間是四維空間，那麼引力應該與距離的三次方成反比。到目前為止，對牛頓萬有引力定律的檢驗並沒有顯示出更 高維度上的任何證據，但物理學家沒有放棄。)

♥缺失的宇宙，暗物質的搜尋或將成為全新的粒子。 這將是未來科學家、天文學家、物理學家們全心探索研究的主題公園。

知足常樂於上海2019.9.26日

科學家透過哪些方法確定暗物質存在？目前確認的暗物質形式是什麼？光在宇宙中沿直線傳播的時候，會因為受到引力的作用產生彎曲，而現在宇宙中存在的各種星系，各種塵埃的質量產生的引力太小，並不符合光線在宇宙中直線傳播時產生的彎曲狀況，從而人們判斷，還有一種看不見摸不著質量更大的物質在產生引力，從而讓宇宙中遙遠地方傳播的光線產生彎曲。這種看不見的東西被科學家們稱為暗物質。暗物質最早是由弗里茲·扎維奇在上世紀30年代提出來解釋星系團運轉的理論，並在60年代由薇拉·魯賓進行計算，她計算出星系旋轉的速度遠比現在觀測到的速度要高，穩定運轉的星系本應在高速運轉下四分五裂，魯賓由此想到宇宙中的各個星系可能都處在巨大的暗物質光環當中，但是人們沒有辦法直接有效的探測到這種物質，所以天文學家對星系運轉提出了其他理論，認為引力在很遠的地方並不像我們想象的那樣起作用。現在人們觀測暗物質的方式越來越熟練了，原因是暗物質的引力對光線穿越宇宙的路徑產生了影響，當光線穿越暗物質區域時，光線的路徑會被重力彎曲，光線不再是直線，而是根據穿過暗物質多少來改變彎曲程度。天文學家現在可以透過觀測宇宙中扭曲的光線來繪製出太空中的暗物質區域，然後透過光線彎曲的程度來計算出這個區域暗物質的質量。他們甚至還利用過暗物質來作為引力透鏡來研究宇宙中遙遠的物體，雖然現在沒有一個人知道暗物質究竟到底為何物，但絲毫不影響科學獎們將暗物質作為望遠鏡上的一種“零件”。但人們從未根本的發現過暗物質粒子，也沒在實驗室裡深入的研究過它們，人們希望透過大型強子對撞機來產生符合人們所理解的，具有暗物質特徵的粒子，即使對撞機沒有創造出來這種粒子，這個創造過程也能幫助人們縮小對於暗物質理論上的範圍。

暗物質的起因

發現暗物質的起因是人類在上世紀30年代時候的一個研究。人們當時在研究銀河系長啥樣。在1932年荷蘭天文學家楊·奧爾特透過測量到銀心不同距離的恆星速度，發現了一個比較奇怪的事情：實際觀測到銀河系旋轉曲線跟理論推測的曲線差距過大。

這條曲線告訴我們距離銀心越遠的天體，旋轉速度就越大，而且在近距離有一個急速的增加，但是根據牛頓運動定律和開普勒定律，速度的平方與距離是成反比的。如果拿太陽系來說就是，離太陽越近的天體公轉速度越快，離太陽越遠的天體公轉速度越慢。

如圖：

根據牛頓運動定律預測的天體公轉曲線

太陽系行星公轉速度曲線

提出猜想

到這裡問題就來了，為啥銀河系不是越遠的天體公轉速度越慢呢？

我們的太陽系是大約240公里每秒的速度繞著銀心旋轉的，如果按照牛頓運動定律，太陽系不能轉這麼快，這會導致不穩定，導致銀河系散架。到此為止我們只能猜測要麼牛頓錯了，其理論只能適用太陽系；要麼就是我們所觀察到的銀河系不是全部，其周圍應該有一團大的多的物質包圍著。

間接證據

1933年瑞士天文學家弗裡茨·茲威基透過觀察后髮座星系團計算了整個星系團應該有的質量，透過對比后髮座星系團與太陽系的質光比，發現其存在大量看不到的質量。由此茲威基將這些看不到的物質叫做——Dark Matter也就是暗物質最早的由來。

引力透鏡

根據愛因斯坦廣義相對論，大質量天體會使得空間彎曲的，而光行走的是測地線，這使得光會發生偏折，就像一個透鏡一樣。天文學家在觀察遙遠星系的時候如果發現了愛因斯坦環等現象時候透過計算發現，中間的大質量天體不足以引起如此大的引力透鏡現象，這間接證明了暗物質的存在。

所謂的直接證據

2006年由錢德拉X射線衛星拍攝了一張叫做子彈行星團的圖。藍色部分是透過弱引力效應模擬的，整個星系團實際的質量區域；而人們可以實際觀測到的僅僅是這些星星點點的恆星或星系再加上紅色部分的氣體雲團。人們猜測大約1億年前兩個子星系團發生了碰撞，紅色部分是氣體雲由於摩擦力導致維持在那裡了，但是藍色部分卻穿過去了。而這藍色部分正式暗物質。這張圖由此被認為是發現暗物質的直接證據。

軌道總動能最高可取到O.75πGMm/Ro減外空勢能，GMm/Ro。在無窮遠處亦存在(O.75π-1)GMm/R。的能量，這是為什麼外場不按牛頓定律的主因！不是牛頓有問題，而是人類根本不瞭解總場能量是多大！

相對論與牛頓力學在數學推導過程中能混用嗎???

牛頓力學和相對論是物理學發展程序中兩個里程碑式的階段，既有繼承性，又各具特色。形成了兩個理論體系。通常認為，後者包含了前者，牛頓力學只是相對論力學弱場低速近似下的特例。但從應用的觀點來說，相對論運用於強場高速場合，牛頓力學運用於弱場低速場合，各得其所。在強場高速場合，混用牛頓力學的質量不變(dm /dt=0)的觀點，理論上似不成立,也得不到實驗結果的支援。除了季先生和勞倫斯教授之外，這種相對論混用牛頓力學觀點的情況並不罕見。

暗物質理論是瑞士天文學家茲威基(F.Zwicky)[4]提出的，他根據的是：觀測到幾十個星系的質量-轉速關係曲線對牛頓理論匯出的維裡定理的預期全都反常，星系內的所有可見物質的總質量M的引力mGM/R2，都不足以平衡星系邊緣物質運動速度的離心力mV 2/R。為此需要引入比可見質量大幾十倍的看不見的質量稱為暗物質。

加拿大維多利亞大學F. I. Cooperstock 和 S. Tieu [5]用一個穩定的軸對稱壓力-自由流體模型，根據廣義相對論計算得到多個星系的質速關係曲線並不反常，而是符合於可見物質的密度分佈，從而無需引入額外的暗物質來平衡轉動離心力。

暗物質理論的要害是：本應該用相對論來計算，卻在星系中各星體的總引力的計算中用了基於質量不變(dm/dt = 0)的力的線性迭加原理。質量不變和引力的線性迭加原理是牛頓力學獨家專有的。在狹義相對論、廣義相對論和量子場論中都是質量可變(dm/dt ≠ 0)，也不存在力的線性迭加原理。因為當第三個物體C的出現會影響原先兩個物體A和B的質量，原先A和B之間的力fAB就會改變為fAB’，從而引力的線性迭加原理必然失效。

上世紀七、八十年流行的第五種力的理論，也是基於引力的線性迭加原理產生出來的。1989年作者[6]從量子場論得出質量可變的牛頓引力定律，再用引力的非線性迭加解釋了有關第五種力的實驗結果以及歷史上觀測到的其他引力異常。九十年代以後第五種力的理論漸漸地不再流行了。

又如流行的黑洞理論中，理論創始人錢德拉塞卡、蘭道、奧本海默、托爾曼等人在計算“多大質量產生的引力會超過不相容原理所能提供的排斥力的極限”時，都用了牛頓力學獨家專有的力的線性迭加原理。推匯出黑洞存在的星體結構的完備方程組為：球對稱靜態理想流體的托爾曼-奧本海默-沃爾科夫恆星內部平衡方程、質量方程和狀態方程三者聯立[7]。其中質量方程為M(r)= ∫0r4πρr’2dr’，是將引力源中的各部分的質量直接線性相加。愛因斯坦方程的非線性導致：質點的質量會因周圍存在其他質點而變小和引力不滿足力的線性迭加原理或引力作用有自遮蔽效應。黑洞理論中混用了牛頓力學的力的線性迭加運算步驟,才能得出結論：不相容原理不能夠阻止質量大於錢德拉塞卡極限的恆星坍縮成為體積接近於零、質量密度無限大奇性黑洞。作者考慮到引力迭加的非線性（nonlinear）[8]得出：無論多大質量的中子星的內部引力都不會超過中子氣的簡併壓力，從而不可能坍縮成奇性黑洞。

所以，作者提出相對論與牛頓力學能混用嗎?向學界請教!