暗物質是什麼東東

在進行星系的探測的時候，有一些愛搞事的科學家腦洞一開，拿著望遠鏡去觀測星系的邊緣，結果驚奇的發現銀河系邊緣恆星的執行速度大大超出了預期，即用愛因斯坦的理論預言的速度比實際上慢了很多。（下圖左邊是理論情況，但是右邊才是實際情況）

如果要達到理論中的情況，銀河系的質量將要比我們所觀察到的質量大很多，也就是說，有大量的物質“失蹤”了，於是，科學家們把這些躲起來的物質稱為“暗物質”。

暗物質是一種因存在現有理論無法解釋的現象而假想出的物質，比電子和光子還要小的物質，不帶電荷，不與電子發生干擾，能夠穿越電磁波和引力場，是宇宙的重要組成部分。也就是說，它是一堆特別羞澀與膽小的粒子，但是卻在宇宙中湊了很多數。

暗物質的密度非常小，但是數量龐大，因此它的總質量很大（人多力量大就是這麼來的），它們代表了宇宙中26%的物質含量，因此有者巨大的引力效應。現在，如果你放下手機，仰望天空，你看到的最多的東西並不是所謂“天體”，而是一堆一堆的暗物質。（白天也是如此）

暗物質是一種未知的物質，科學家認為宇宙絕大部分由其構成。那麼。暗物質的探索怎麼樣了呢？

當然是中國領跑世界咯！

相信大家都知道，“悟空”號就是幹這個事兒的。暗物質粒子性格有些內向，喜歡獨來獨往，如果一旦碰上其他的暗物質粒子，就會同歸於盡（真是奇怪），叫做“湮滅”，然後放出一些人類能觀測到的粒子（比如電子、反電子），悟空好就是探測宇宙中這些粒子的變化強度與峰值，然後經由後期的資料處理與分析，科學家們就能從中判斷是否是暗物質粒子湮滅所發生的，進而推斷暗物質粒子是否真的存在。

真的，科學家們就像網路部一樣愛搞事情，尤其是大事情，搞完後還不罷休，一定要弄個清楚。就這樣，人類開始了對於暗物質的探索工作。雖然目前為止還沒有什麼新的發現，但是毫無疑問，我們總有一天會發現它，因為，它就在那裡。

這些天，這個悟空衛星火了，一些報道說發現暗物質了，哈哈，如果真是這樣的話，那可是天下第一件大事啦，將是21世紀最偉大的事件，人類在宇宙探索方面的一大發現和進步，將對人類今後的走向和文明產生巨大的推動。悟空衛星的正式名稱是“悟空號”暗物質粒子探測衛星，是中國科學院發射的4顆科學實驗衛星之一，是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星。

那麼什麼是暗物質呢？早在1915年，愛因斯坦的相對論提出了宇宙有限封閉理論，認為宇宙中物質平均密度為每立方厘米應該是5*10^-30克，可至今觀測到的宇宙密度卻比這個值小100倍。那麼這些物質到哪裡去了？科學家就把這些“失蹤”的物質叫“暗物質”。這個理論剛提出時只是一種理論假設，到了上世紀八十年代，科學家們經過幾十年的探索發現，佔宇宙能量密度大約20%的暗物質已被廣為接受了 。隨著宇宙膨脹理論廣泛運用，宇宙學家們發現宇宙中的星系天體等可見普通物質僅佔宇宙中質量的4%，另外96%由暗物質與暗能量佔據。

現代理論普遍認為，暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恆星和行星，更談不上今天的人類了。現在知道暗物質的重要性了吧？如果我們不瞭解暗物質的性質，就不能說我們已經瞭解了宇宙。我們已經知道了兩種暗物質--中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絕大部分還不清楚。所以，對暗物質研究是世界頂尖科學研究專案，如果能夠有所突破，將揭開宇宙的許多奧秘。

這樣來說，我們的悟空衛星的發生和探索，就是一個世界級的壯舉了，這也是中國在基礎研究上彎道超車的一個重大舉措。悟空號2015年年底發射上天，在500公里的太陽同步軌道執行，經過兩年的持續觀測，在１．４萬億電子伏特（ＴｅＶ）的超高能譜段，“定位”了一束明顯異於常態的電子宇宙射線。“悟空”首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進解釋，正常的能譜變化應該是一條平滑的曲線，但根據“悟空”觀測資料，這裡突然出現了一處劇烈波動，劃出一個“尖峰”，意味著此處必有“古怪”。他說，“之前沒有人發現過“。這個成果是來之不易的。兩年來“悟空”探測了３５億多個高能宇宙射線，從中總共搜尋出１００多個異常電子，難度不亞於大海撈針。

雖然這些成果堪稱重大，但畢竟不是發現了暗物質，只能說是為探索暗物質邁進了一步，有可能是摸到了暗物質的”蹤跡“，這個成果也還有待多方面的研究跟進和驗證，一些媒體所發現了暗物質是過分放大了這次成果。”悟空“首席科學家常進指出，再過五到十年，一定會有一個更圓滿的交代。所以”悟空“要真正揭開暗物質的面紗還須再接再厲，任重道遠。

暗物質是什麼幾位答主回覆的很全面了。

下面介紹有什麼用處（僅是理論）：

如果暗物質粒子的確存在，我們眼中的星系，可能就不是簡單的旋渦狀圓盤結構。

銀河系和暗物質

哈佛大學的安德烈·卡茲提出了“雙圓盤暗物質模型”。他認為：“宇宙中的暗物質不太可能都是由一種單一粒子組成。”也就是說，和原子、質子和電子相對，宇宙中還可能存在暗原子、暗質子和暗電子。

和普通的原子構成類似，暗質子較重，暗電子較輕，透過暗光子傳遞的暗電磁作用，組成暗原子。暗原子相互間以暗化學的形式彼此作用，進而構成暗分子。

暗原子藝術插圖

卡茲表示：“暗世界可能和可見世界一樣奇妙和豐富。”

暗質子和暗電子的相互作用會使能量逐漸逸出，慢慢在星系周圍形成圓盤狀。

也就是，任何星系，包括我們的銀河系可能都由兩個圓盤組成，一個是普通原子構成的可見圓盤，一個是暗原子構成的不可見圓盤。其他絕大多數的暗物質圍繞兩個圓盤形成鬆散的圓球狀。而球形正是宇宙中的普遍存在。

暗物質包裹的銀河系

加州技術學院的理論物理學家西恩·卡羅爾表示，暗物質物理定律可能和常規物質的物理定律一樣複雜。包括暗引力、暗輻射、暗磁場和其他現象。

假設暗質子和暗電子存在，那麼它們的反物質——暗反質子和暗反電子也很有可能存在。當這些正反物質相遇時，同樣會湮滅並釋放伽馬射線。而且，暗原子也可能形成暗等離子云，它的波動影響了早期宇宙的形成，對現存的大尺度宇宙結構也有影響。

暗物質星系

而紐約大學的華裔物理學家劉佳（音譯）基於暗物質的存在，提出“暗物質引擎”的概念。

按照他的設想，暗物質引擎的飛船前端是巨大的進氣口，可以攝取太空中的暗物質粒子——中輕微子。中輕微子彼此接觸發生湮滅，產生的能量被匯入飛船尾部的裝置內，推動飛船前進。而且，飛船的速度越快，攝取的中輕微子越多，產生的能量越多，飛船的加速度越高。根據劉佳的計算，在幾天內甚至可以接近光速。

暗物質飛船藝術插圖

但造出暗物質飛船還面臨以下問題：

假設飛船可以攝取中輕微子，首先，它的密度必須足夠大，但目前我們已知的密度最大的區域是26,000光年外的銀河系中心。其次，中輕微子幾乎無法和普通物質發生作用，如果想製造“能量匯入裝置”，恐怕還需要一種全新的未知材料。

這個宇宙95%是由暗物質組成，而我們看到只屬於那5%的非主流……

太空也許是人類探索的終極前沿，但對它的根本執行機制，我們的探索充其量只是剛剛起步。從開始仰望星空到現在，人類的發現不可勝數，但我們所看到的，只是宇宙中5%的物質；對於其餘的95%——即所謂的“暗物質”——我們連怎麼觀測它都還沒能摸著門道。

但這並不是說，世界各地的研究人員就沒有去嘗試。

人類真正展開對暗物質的搜尋，是在17世紀牛頓發現萬有引力之後。

天文學家們假定，某些天體也許不會發光，但我們能基於引力效應，將其觀測出來（比如黑洞）。近幾十年中，有賴於光學與射電天文望遠鏡技術的進步，暗物質存在的證據不斷累加。

截至目前，天文學界認為，宇宙中27%的質量由暗物質構成（如果將暗能量囊括進來，這個比例就達到95%）。對於暗物質的存在，我們已經確信不疑，但對於暗物質的構成，科學界仍無共識。

目前存在兩種理論：一種認為，暗物質由大質量弱相互作用粒子（簡稱WIMP）構成，這種粒子的質量是電子的10萬倍（表現出常規粒子的特性）。另一種理論推測，暗物質由軸子構成，而軸子作為一種基本粒子，其質量是電子的1000億分之一（表現出波的特性）。據推測，軸子與光子一樣表現出波粒二象性，只不過，不同於光子，它不能被直接觀測到。

“若暗物質是一種未知粒子，那麼，它能與我們互動的形式只有兩種。”美國SLAC國家加速器實驗室副教授菲利普·舒斯特（Philipp Schuster）博士說。“一種可能：它能與已知的那些力相互作用（此即WIMP）；另一種可能：它不與標準模型下的各種力發生作用，而是另有一種自成一體的力。”

“若屬於後一種情況，它就可能透過一種新的向量粒子，與我們產生互動，原理類似於電磁作用。”他說，“或者透過某種未知的作用和我們互動，但自然界中找不到相關的類比。”

為確定暗物質粒子的構成，研究領域設計了不少實驗，大致可歸為三類：

粒子探測器——假設暗物質由WIMP構成；

波探測器——假設暗物質由軸子（即暗光子）構成；

以及天文觀測，研究暗物質在可觀測宇宙中的作用，具體而言，就是引力透鏡效應。

如果暗物質由WIMP構成，我們就可以在地下深處設定巨大的液氙池，用於捕捉它們的蹤跡。因為顧名思義，WIMP並不與已知物質相互作用，所以探測起來頗為棘手。任何輻射——從宇宙背景輻射到土壤中的微量鈾輻射——都可能摻雜進來，混淆視聽。

舉個例子，義大利格蘭薩索國家實驗室的XENON1T實驗就深埋於一座大山之下。它用到的每一件裝置都採用絕無輻射的不鏽鋼，純手工打製而成，普渡大學物理學與天體學副教授拉斐爾·朗（Rafael Lang）介紹說。它用到了地球上純度最高的液氙，而且有一噸之多，這種液氙只含有一萬億分之一（1 ppt）的氪雜質——比自然界中的液氙純淨好幾個數量級。XENON1T是迄今為止最為靈敏（也可理解為“輻射最低”）的WIMP探測器。

“我們的辦法就是拿一個桶，裡面裝滿液氙，然後坐等WIMP粒子擊中這桶液氙。”朗解釋說。該裝置的主探測器為液氙時間投影室（LXeTPC），外層為低溫冷卻的液氙，然後液氙的外層還有一套大型容器，裝滿了淨化水，起到進一步遮蔽輻射的作用。

其原理是，在如此嚴密的遮蔽措施之下，能夠長驅直入的也只有WIMP了。而且，若有WIMP擊中某個氙原子核，碰撞將導致液氙發生振盪，形成一閃而過的可見光，被LXeTPC探測到。

在美國，還有一套名為LUX-ZEPLIN的實驗裝置，坐落於南達科他州，隸屬於美國勞倫斯伯克利國家實驗室，目的也是尋找WIMP。“其基本原理是，建一個超豪華版的蓋革計數器（用於探測電離輻射的粒子探測器——譯註）。”斯坦福大學粒子物理學與天體學教授丹尼爾·阿克布博士（Daniel Akerib）說。

探尋WIMP的地下裝置不僅限於XENON1T和LUX-ZEPLIN。作為低溫暗物質搜尋計劃（CDMS）的一部分，美國能源部正與SLAC合作，共同構建薩德伯裡微中子觀測站實驗室（SNOLAB），利用安大略省的一座鎳礦（由淡水河谷公司擁有並運營），在地下兩千米處設定暗物質探測器。該實驗室將於2018年啟動。

但是到目前為止，這些實驗都沒能明確捕捉到WIMP與氙原子核的相互作用，原因可能是“弱相互作用”這一本質，但也有可能是假設錯了。若構成暗物質的並非大質量粒子，而是軸子這樣的輕粒子，那麼，它們就無法被LUX-ZEPLIN和XENON1T等探測器探測到。

然而，科學界還有暗物質無線電接收器（DMR）、費米實驗室（Fermilab）的軸子暗物質實驗（ADMX）或阿塔卡馬探路者（APEX）等等針對另一套設想的實驗，它們或許可以破解這道謎題。

“如果構成暗物質的是一種足夠輕的無旋粒子，其表現將更貼近電磁波而不是粒子。”舒斯特解釋說。這裡的“足夠輕”意為“電子質量的十億分之一”。

“這就意味著，要構成這個星系中的暗物質，所需的粒子要多得多。”斯坦福物理學副教授彼得·格雷厄姆（Peter Graham）說。“這也就意味著很難在實驗中尋找到單個軸子的單一訊號。因為它的能量實在太低。”

就好比一滴水無法鑿穿巖壁，但一條河流就可以，研究人員不得不觀測軸子的總體效應。就以斯坦福大學的DMR為例，其實驗原理與地面無線電接收機很像，只不過規模擴大到了宇宙級。

和粒子探測器相比，這一思路面臨的是另一番挑戰。舉個例子，無線電接收機不用埋藏於地底深處，以避開宇宙射線的干擾。但是，它必須裝在一個導電箱內，以遮蔽背景無線電噪音。此外，粒子探測器開啟之後，往往一跑就是一年。而這些無線電每10至15分鐘，就可以將各個頻率都搜一遍。一旦發現共振頻率，研究人員立刻就能算出單個軸子的質量。

構成暗物質的究竟是WIMP還是軸子，這對我們理解宇宙影響重大。

“暗物質完全可能是不可見的光子（即軸子），”舒斯特說。“這就意味著，不僅僅存在一種我們未知的力，而且這種力的殘餘——其載體粒子——在宇宙中的密度足夠之大，以至於能產生暗物質。我認為，這會震驚整個學術界。”

若果真如此，一種新的基本力將被發現——其重大程度將絲毫不亞於當初發現電磁作用。

“當然，另一種可能是，暗物質由已知粒子構成，但與一種我們未知的力相互作用。”舒斯特說。“這一可能性類似於WIMP猜想，只不過，與這其作用的力不是已知的，而是未知的。這種不可見的光子充當了介質的作用。”

一些天文學的手段更加直接：在宇宙中搜尋暗物質的證據。

暗物質巡天望遠鏡（DES）自2013年起，就開始在智利的託洛洛山美洲際天文臺收集資料，而大型綜合巡天望遠鏡（LSST）也將於2021年啟動，科學家們希望，引力透鏡效應或許能開啟暗物質的直接觀測之門——就弱相互作用基本粒子而言，這已經是最“直接”的觀測方式了。

這些巡天望遠鏡觀測暗物質的原理，跟我們觀測黑洞的原理是一致的：尋找被它們彎曲的光線。“如果你在觀測遠處物體的時候，中間有一堆質量積聚，那麼，物體傳來的光線就會繞道而行，使你看到扭曲的影象。”SLAC物理學教授、LSST專案負責人史蒂夫·卡恩（Steve Kahn）說。

DES和LSST都將利用這一效應，在太空中尋找暗物質團。“在天空中，相互靠近的星系之間也會呈現出類似的彎曲……”卡恩說。“所以，這種透鏡效應就相當於‘看到’暗物質了。暗物質是不可見的，但我們可以推測出它的存在，及其引力透鏡在星系背景中的分佈。”在這種方式下，我們還能計算出那些質量積聚與我們的距離。

然而，截至目前，人類的宇宙探秘之旅才剛剛起航。

“如果最後發現，剩下的大部分都是一些簡單、孤立的粒子，沒有什麼相互作用，那將會非常出人意料。”舒斯特總結說。“我認為，更有可能的情形是，暗物質還涉及到很多力，很多相互作用。而這些都需要我們去尋找。”

翻譯：雁行

暗物質可以讓我們進入浩瀚無邊的宇宙，也可以讓我們進入另一個維度的空間，可以改變人類的思維，也可以隨意讓人忘記一段記憶，也就是那時我們的大腦都隨暗物質支配，不用這樣辛苦的學習知識了，可以利用暗物質進入我們的大腦，就可以學到需要的知識，那時，殺傷性武器也會退出歷史舞臺，只要改變大腦就可以避免戰爭，人類也沒有隱私了！可以監控，可以改變一個人的思維，能夠像外星人一樣在宇宙中來回穿梭！和死去的親人靈魂進行交流，能夠利用暗物質才是科學的最高境界！

鬼魂就是一種暗物質，我們絕大部分人看不到它，所以覺得不存在。實際上你認真想一想，量子糾纏都存在，意識可以改變物質，鬼魂也是存在的。

意識也是一種暗物質，是物質，是真實存在的，不是虛無縹緲的。只是人類看不到它，覺得它不是物質。這樣來看，你想想高中政治學的“物質決定意識”的知識，是有一定侷限性的。因為量子糾纏中，意識可以改變物質。因此，從這個思路出發，唯心主義是有道理的。

心靈感應是一種暗物質，是量子糾纏的一種表現形式。這在以前無法解釋，覺得是迷信，現在看，確實存在。

第六感也是存在的，是一種暗物質。不要覺得神奇，它是以一種看不見的形式在傳遞，人類目前觀測不到。

這就是目前在我們身邊存在的暗物質。