著者：黃姤 / 黃媂

網路上一直流傳著一句經典的用語：

「不要迷戀哥，哥只是個傳說，哥早已不在江湖，江湖上卻流傳著哥的傳說」。

在科學界也有一種「傳說中的物質」，人類除了知道它的存在以外，卻對它一無所知，沒有人見過它，沒有人找到過它，這種物質看不見、摸不著，但它必須存在。在日常生活中遇到如此靈異的事件，我們往往號稱自己見了“鬼”，而科學家顯得文雅一些，他們給宇宙中這類看不見、摸不著的物質起了一個名字叫做「暗物質」。

古人知道天上有星星，地下有人群，知道金、木、水、火、土、陰陽五行，現代物理學家不斷地探索宇宙發現星系、星雲、星系團、恆星、行星、小行星，不斷深入微觀世界發現電子、質子、中子、夸克、中微子、費米子、膠子等等。可能對於古人們來說我們知道的已經足夠多了，可是人類對茫茫宇宙總是陷入這樣的怪圈——本以為發現得越多就會對這個世界多了一份瞭解，可是結果總是知道得越多就發現自己更加的無知，就有更多的地方值得去探索。

圖解：「暗物質」模擬圖

人類是如何發現暗物質的？

先來舉個例子，如果您坐在一輛旋轉木馬上，木馬的轉動會使你感受到一股向外甩出的力量，如果木馬失控，轉速一直加快快到就連爬在上面的螞蟻都要飛出去的時候，您卻安然無恙地坐在木馬上面，如果不是見了“鬼”，那麼就一定是有什麼神奇的力量在作怪。

1933年，瑞士的天文學家茲威基就遇到了這樣一件怪事，這位性格怪異、脾氣暴躁的科學家觀測了一個大約有1000個星系的星系團後，驚訝地發現了一件事，那就是——「一些遠離中心的星系圍繞中心的運動速度實在是太快了。按照常理來說，這麼快的速度應當被甩出去才對，對於如此如此之快的速度，僅僅依靠星系團的引力是遠遠不夠的，那就一定是有什麼神奇的力量在拉扯著這些星系。」

茲威基認為遙遠的星系團中有一些很獨特的物質，它們不發光、也不吸收光、也不反射光，它們似乎只通過「萬有引力」對這個世界施加影響，這些物質看不見、摸不著，但是它們有質量，它們是真實存在的，而且透過計算，這些看不見、摸不著的物質似乎比那些發光的物質還要多。

茲威基這個人性格比較怪癖，用現在的話說就是又傲嬌又毒舌，他的臉上常年掛著一副咄咄逼人的模樣，與同行的關係也非常緊張，總是喜歡把那些跟他學術有不同見解的同事們，親切地稱為“球形的混蛋”，因為這些人不論從哪個角度來看都是混蛋，這些話足以顯示出茲威基的傲慢。

俗話說，做人不能太得瑟，嘴上總要留點德，可以想象像茲威基這樣的人即便是再聰明、再有才恐怕也很難有幾個朋友，即便他的觀點在現在看來是如此的正確，可是當年也不太會有人願意與他繼續研究下去。更何況宇宙是如此的璀璨奪目，已經有了那麼多數不清的星星，茲威基這個時候還嫌不夠，非得給宇宙加點料，非要說那些看不見的物質比星星還要多，也幾乎沒有人願意相信宇宙中更多的物質竟然是看不到的，於是茲威基這個重要的新發現在30年代，直接就被扔進了回收站，一扔就是40年。

圖解：弗裡茨·茲威基( Fritz Zwicky， 1898~1974) ，瑞士天文學家

上個世紀的70年代，一位女性天文學家魯賓在研究銀河系的恆星運動速度時，也有了一個新的發現，於是「暗物質」這個概念從回收站中被提取出來得以重見天日了。按照「萬有引力定律」，如果你圍繞著一個大質量的天體旋轉，那麼離得越近，速度就會越快，比如在太陽系離太陽最近的行星·水星的運動速度就一定要比離得最遠的海王星的運動速度要快，如果把這個道理推廣到銀河系，應當是距離銀河系中心越近的恆星運動速度越快，離得越遠運動速度就越慢。

然而，魯賓卻發現，無論是遠離星系中心的恆星還是距離星系中心更近的恆星，它們的運動速度都差不了很多，僅憑望遠鏡中看到的那些發光的物質完全是不可能將外圍的星體拽住的，它們為什麼會像脫韁的野馬一樣飛出去呢？

對此魯賓也不得不假設銀河系中有一些我們還無法用光線探測到的物質，它們用引力影響了恆星的運動。

圖解：圖解：魯賓觀測到的銀河系中心恆星的運動軌跡

魯賓當年所處的年代對女性天文學家是非常不友好的，比如她在本科階段是天文系唯一的女生報考普林斯頓大學天文系時，直接以女性為由拒絕錄取。1965年她甚至還是當時第1個使用帕洛瑪天文臺的女性科學家，如此重要的發現竟然讓一個女同志發現了，那豈不是打男同胞們的臉嗎？於是魯賓的研究成果自然是受到了很多嘲諷。更重要的原因是很多人認為這些現象未必不能用其他的原因解釋，比如黑洞，比如一些不發光的氣體雲等等。

圖解：薇拉·(古柏)·魯賓(Vera (Cooper) Rubin，1928年7月23日-2016年12月25日)美國天文學家

總之「暗物質」30年代第1個發現它的人是個瘋子，40年後又讓一個女同志發現，科學界在上個世紀80年代以前對「暗物質」一直不是非常重視，到了80年代人們在計算星系總質量時又發現了問題。

如何計算星系的總質量？

「廣義相對論」告訴我們，無論是普通物質還是「暗物質」，只要有質量就會使時空彎曲，一顆天體的質量越大，附近的時空彎曲程度就會越厲害，一顆遙遠的天體發出的光線經過星系後，引力所引起的時空彎曲就會使得光線發生彎折，如果觀測到了這些遙遠天體影象的彎折就能夠計算星系的質量，這種計算方法所得出來的質量叫做——「引力質量」。

圖解：質量使時空彎曲

科學家還有另外一種方法，就是透過星系中所有可見的物質發出的光線來計算，這種方法所得的質量叫做「光度學質量」。

科學家經過計算後發現「引力質量」和「光度學質量」似乎怎麼樣都對不上，總是差了10倍左右，鐵一般的事實說明——宇宙中大部分的物質就是看不見的。

「暗物質」的存在，還有另外一個強有力的證據，那就是——「引力透鏡」。當光線透過彎曲的時空就會發生偏折，就像光線在稜鏡中出現折射一樣。

1980年，天文學家的空中發現了兩個一模一樣的「類星體」，這是人類第1次觀測到「引力透鏡效應」，從此「引力透鏡」變成為尋找「暗物質」的有力武器。例如2007年天文學家在室女星系團中發現了明顯的引力效力，卻看不見任何恆星星體的物質，但是有一個巨大的引力場，這裡很有可能有一個全部由「暗物質」構成的星系。

圖解：「引力透鏡效應」

「暗物質」存在最有力的一個證據來源於一次慘烈的星系碰撞事件

距離我們38億光年的「子彈星系團」附近兩個星系來了一次調整的親密接觸，物質融合在了一起合成了星系團，天文學家們先是用光學的方法測量了兩個星系普通物質質量的位置，同時又用「引力透鏡」測量了星系團中總質量的位置，結果發現了兩個位置並不重合，這也就意味著在星系碰撞的過程中，兩個星系的正常物質和「暗物質」表現是不一樣的。

正常物質之間的碰撞是玩真的，彼此之間會摩擦、會升溫、會釋放X射線。而「暗物質」它們在碰撞相比之下就是玩虛的了，彼此之間竟然不受阻礙地互相穿過，在碰撞的過程中大量不發光的物質，竟然順暢地彼此擦肩而過了，只有那些發光的物質彼此粘在一起並摩擦，從而放慢了腳步，這是兩種完全不同的碰撞過程。

星系的結合過程中，「暗物質」和正常物質發生了分離，這也是目前為止「暗物質」存在的最有力的證據。

圖解：「子彈星系團」附近兩個星系碰撞在一起

既然有如此之多「暗物質」存在的證據，那麼此時能否人贓並獲一舉拿下了呢？

上述例舉了很多匪夷所思的天文現象，如果我們假設「暗物質」存在，那麼這些現象就全部說的通了，但是我們卻始終沒有抓到「暗物質」的原型來告訴人們這個就是「暗物質」。

根據最新的觀測資料顯示，在宇宙中所有的物質中，80%以上是「暗物質」，是普通物質的6倍之多，而我們卻對它們知之甚少。所謂的「暗物質」看不見、摸不著、也不發射光線、也不吸收光線，主要透過引力與其他物質相互作用，我們只知道它們不帶電與普通物質的作用十分微弱，也不參與電磁作用，僅此而已。

另一方面，我們人類有5種感覺——視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和味覺，這些感覺全部是基於電磁相互作用的。比如觸覺依賴於電磁振動，而視覺是因為帶正電的質子和帶負電的電子相互作用的過程中不斷髮射和吸收光子。而「暗物質」不參與任何電磁作用，當光照在「暗物質」上時它不會有任何的反應，它甚至還可以輕鬆的從地球的一端穿越到另外一端，我們也不可能用一個容器把「暗物質」裝起來，那麼應該如何尋找「暗物質」呢？

人們最早認為「暗物質」是一些我們熟悉的不發光的物質，比如黑洞。

「黑洞」和「暗物質」一個暗一個黑，但其實差的很遠，黑洞的黑，是指的它能夠吞噬一切物質，就連光進入黑洞以後都無法逃脫，但霍金說過黑洞其實並不黑，它強大的引力會使得氣體朝向黑洞落下，被加熱至幾十億度的高溫，會以噴流和風的形式向外輻射物質和能量。2019年科學家還給一個距離地球5,500萬光年，質量為太陽60億倍的黑洞拍了一張照片。

圖解：2019年4月10日首張黑洞照片，史上第一張黑洞照片揭開了神秘面紗

而「暗物質」與其說是暗還不如說是透明，它根本不會與任何光線發生作用，給「暗物質」拍照只會讓你拍到一片虛無。

還有一個更重要的問題，「黑洞」再黑也是由我們所知的普通物質組成的，比如一顆大質量的恆星，在它的晚年就會演化成為一個黑洞，然而科學家把所有的物質全部算進去後，依然無法解釋星系運動速度過快、「引力透鏡」、星系碰撞過程中物質分離等問題，所以科學家的結論是——「暗物質」明顯不是我們目前所知的任何物質型別。

一方面天文觀測的資料表明「暗物質」必須存在。另一方面它又不是我們目前所知的任何物質。科學界此時的情況，就好像考試要交卷了，卻發現有好多道題沒有寫，儘管不知道答案是什麼，但是這個時候只能先假設了。

圖解：暗物質模擬圖

目前科學界最熱衷的「暗物質」的答案叫做「大質量弱相互作用粒子，英文簡稱WIMP」

「WIMP」是一種新的粒子，聽名字就知道，它主要參與弱相互作用，與普通物質的作用非常微弱，而且質量比較大。關於大質量弱相互作用粒子，目前已經完成了兩項工作：

第一，給它起了一個名字。第二，我們花了很多錢上天、入地尋找它們。

所謂入地，指的是一種守株待兔式地尋找「暗物質」的方法。科學家假定「暗物質粒子」有一定的機率會與原子核發生碰撞，然後利用靈敏的儀器探測到這種相互作用，但是宇宙射線是這種實驗的干擾因素，因此這樣的實驗必須深入地底，許多國家都透過挖坑的方式埋藏實驗室，這其中就包括我國的「錦屏地下實驗室」。遺憾的是，目前為止全世界所有的地下探測暗物質的實驗室都交了白卷。

圖解：中國「錦屏地下實驗室」

所謂上天，指的是按照現有的模型，當「暗物質」和它自己的反粒子發生碰撞以後，會像正常的物質一樣相互洇滅，然後產生人類可以觀測到的高能電子，在宇宙深空精確的探測高能電子也許就能發現暗物質的蛛絲馬跡。這裡不得不提的就是我國的「“悟空”號暗物質探測衛星」，它是目前世界上觀測範圍最寬、能量解析度最優的暗物質探測衛星，然而目前這一方面的搜尋之路也是沒有什麼有說服力的結果。

就目前來看，不論是上天還是入地，尋找「暗物質」就是這麼難。另外還有一種思路，那就是——既然尋找「暗物質」這麼難，我們就把它造出來得了，這就是在加速器中製造暗物質。比如說歐洲的「大型強子對撞機」可以將質子加速到接近光速，那麼如此高速的質子碰撞，會不會產生「暗物質」呢？

如果碰撞後產生了未知的質量或者能量虧損，這部分虧損很有可能就是被「暗物質」拿去了，科學家曾經對大型對撞機充滿了希望，可是即便衝撞的能量已經超過了質子質量的1000倍，卻連暗物質的影子都沒有發現。如果我們找一個東西一直找不到，一般有兩種原因：

這個東西實在是太難找了。很有可能是因為這種事物根本就不存在。

對暗物質這個問題，如果我們回過頭來思考——是不是有可能暗物質本身就不存在，而是我們的理論出了問題？

舉例說明：

如果在你的家中有這麼一條定律——「媽媽說了算」。

這個定律能夠在整個社會上應用嗎？顯然不能嘛！

我們現有的引力理論是「廣義相對論」，它也只能是在太陽系的尺度上得到了很好的檢驗，但是在星系和宇宙的尺度上，誰也不敢打包票「廣義相對論」一定是適用的，於是也有一些科學家認為「暗物質」其實是不存在的，之所以我們不得不假設暗物質存在的原因是，我們的理論還有問題。

1983年，一位以色列的物理學家莫德海·米爾格羅姆曾經有了一個大膽的想法，他提出了一個全新的理論，名為「修正牛頓動力學」，他假設牛頓的引力定律並不完全和距離的二次方成反比，他也假設牛頓的第二定律中還出現了兩個不同的加速度，經過他這麼一改，很多現象都解釋得通了，不過這樣一來，我們要把400年來都信奉的牛頓理論推翻，也不知道牛頓得知這件事情以後會不會給這位以色列科學家託託夢。

此外，這個「修正牛頓動力學」也不能解釋所有的現象，比如星系碰撞時所產生的奇異現象。

還有一些科學家也提出了其它的「暗物質理論」，比如包括張量、向量、標量引力理論，「熵引力理論」，「負質量暗流體理論」等等，相信大家聽了這些名字和我的感覺一樣，光聽名字就已經開始搖頭不懂了。

總之，科學家們在利用各種手段尋找傳說中的「暗物質」，也可能它隱藏的太深了，也可能它根本就不存在。

黃姤結語·「暗物質」其實從嚴格的意義上來說，「暗物質」只能是一種假說

有許多證據能夠證明這種假說成立，屬於那種非常靠譜的假說，別看研究「暗物質」已經研究了很多年了，但其實除了知道「暗物質」的幾個特性以外，對它們還是一無所知的。

「暗物質」存在與否其實並不是最重要的，我們在尋找它的過程中對宇宙的認知又進一步深化了，這才是更重要的事情。

「暗物質」——一個必須存在，卻又找不到的物質。

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