暗物質之謎，科學家為何遲遲無法揭曉？

暗物質一開始只是宇宙的一個補丁，只不過宇宙的漏洞又大又多，最後這個補丁轉正了。

圖：印度懸空術

最早的BUG理解起來不難，我舉一個例子，比如印度人一整就立根棍懸在半空中，一開始大家懵圈了，心想這是練了什麼神功，似乎有一種無形的能量託著他，既然不知道就先叫「暗物質」，後來被揭秘了，原來暗物質是個特殊的鐵架子。那宇宙中的暗物質是怎麼回事呢？

宇宙學原理

人類通過幾千年的上知天文，逐步建立了一個原理叫做「宇宙學原理」。這個原理，通俗的講就是國外的月亮和國內一樣圓，在宇宙中人類和地球並沒有特殊待遇。

圖：地心說

千萬別認為這條原理平平無奇，它可是一部血淚史。地心說、日心說、各路傳說、教會、哥白尼、牛頓、愛因斯坦等等，無數人前僕後繼，隨便拎出來一個都能講半天，就是到目前為止，還有人說地球是平的！而暗物質生來就是來挑戰宇宙學原理的。

圖：萬有引力

在宇宙學原理具體來說是宇宙中任何一處的恆星和物質都遵守著和我們一樣的物理定律，比如非常遙遠的宇宙空間中，有一顆和地球質量、體積相同的巖石恆星，果樹上同樣大小的蘋果熟了，掉下來的速度和砸到你腦袋上的疼痛感，與在地球上相同的。因為萬有引力定律在宇宙任意一處都適用。你在地球上發現的物理定律在宇宙中是通用的。

圖：恆星的演化

明白了這個原理，科學家就無敵了！其他恆星太遙遠，沒關係，太陽離得近，研究明白了太陽的模型，把公式和理論往遠處的恆星上一套，遠處的恆星就毫無隱私了。接著我們可以研究太陽系怎麼形成的，於是我們就有的星系的模型，緊著是銀河系，星系團。

圖：星系團，星系相互旋轉超速了

就在我們屢試不爽，對宇宙各個星系比比劃劃時，突然發現星系團模型不好用了，我們算出來的理論值與觀測結果不一致。

圖：星體旋轉速度，實際觀察與理論值

天文學發現有個許多星系組成的星系團，星系之間相互環繞運動的運動速度超過了引力公式計算出來的速度。正常來說，跑得這麼快，引力是拉不出的，也就是說它們會散開，是什麼讓這個星系團還能緊緊相擁，不離不棄？是「暗物質」！

為什麼叫「暗物質」，因為它滿足兩個因素（1）它具備一種無形的引力（2）我們看不到它。一開始科學家不認為這是什麼大事。理由很簡單，這樣的物質宇宙中還是存在的，比如說黑洞、還有各種粒子，都是看不見或者不容易看見的，還具備引力。

圖：宇宙組成佔比

有科學家就開始著手研究「暗物質」爭取早日揭穿它，結果一研究科學界大地震了！暗物質的總量竟然是宇宙中已知物質總量的五倍。如果說暗物質是黑洞的話，那宇宙黑洞遍地都是，這與我們觀察到的事實不符。而黑洞是宇宙中最緻密的物體，如果它都不夠格的話，那麼其他候選物質就更不可能了！那麼暗物質到底是什麼？

圖：黑洞，宇宙最緻密的天體

其實科學家到現在為止也毫無頭緒，無從下手。那麼宇宙學原理，要崩盤了嗎？正好相反，宇宙學原理因此更加圓滿。

暗物質與宇宙學原理

科學家認為既然我們還不清楚它是什麼，可它又必然存在，我們乾脆就暫時先把它封裝成一個補丁。就像這個瓜很好吃，但你不要管中間發生了多麼複雜的生長過程，你只需要了解它會反饋回來「又大又甜」就行了。以後只要發現某些物質看不見，還具有引力的效果，那就把這個補丁貼上。暗物質就這麼光明正大的被宇宙學原理接收了。

自從暗物質這個補丁出現之後，我們不但解決了宇宙中觀測到的大量星系的「違規」行為，還解決了宇宙誕生的一個關鍵環節，由此暗物質證明了自己是不可或缺的。

• 看不見，「能力不允許」的那種

暗物質是宇宙物質總量的5倍，那麼就說明一個問題，暗物質是無處不在的，比我們可見的星系還要多得多。它就在我們身邊，然而我們卻感受不到它，也就是說它不受力。

圖：電子躍遷過程中只能吸收特定波長的電磁波，光子具有波粒二象性，不同波長的電磁波也是特定不同能量的光子

當你看到桌子上有一個紅色杯子，這個過程本質是陽光中的大量光子與杯子表面的原子電子發生了作用，吸收了特定能量（波長）的光子（可見光），反射出其他光子進入到你眼球中，視覺細胞吸收了光子的能量，轉換成電信號傳輸給大腦，於是你知道杯子是紅色。

圖：「看到」是電磁相互作用

在這個過程中，陽光、眼睛、大腦、杯子與光子發生了相互作用，我們管這個現象叫做電磁力。當科學家發現一個物體，無論對於可見或者不可見，只要發現了，其實就是把能量轉換成數據的一個過程，比如紅外線是電磁波，我們雖然看不到，但是它能使溫度計上升。

圖：物理四大力

在我們的物理模型中有四大力：引力，強力和弱力都存在於原子核中，而電磁力存在於我們日常生活中，無論是我推你一下，還是車撞了一下，桌子託住杯子這些都是電磁力。如果我們看不到暗物質，任何電磁波相關的儀器都找不到它，就說明它不參與電磁相互作用。

圖：暗物質與我們，就如同對牛彈琴

這就像一個從小就雙目失明的人，你給他描繪天空有多麼藍，但他完全get不到那個點，因為沒有識別顏色的能力，無法在大腦中呈現。暗物質或許就在我們身邊，像我們招手，嘲笑著我們，我們卻無能為力，完全不知道對應它的接口是什麼，它不在目前人類的認知當中，所以我們無法把它轉換成可見的信號，從而讓它顯現，但是我們卻可以得到它反饋的結果。

• 宇宙形成功不可沒

如果它剛發現的時候只是一個補丁，似乎是貼在宇宙模型上的，然而隨著我們對暗物質的了解，發現如果沒有暗物質，宇宙可能不是今天這樣的，暗物質在宇宙模型中佔據了極其重要的位置。

圖：恆星的誕生

我們想像一下，宇宙中有一片氣體雲，隨著某個位置氣體雲密度較高形成了較強的引力，開始收集周邊的其他氣體，慢慢越聚越大，最後內核引力坍縮形成了高溫高壓的環境，發生了核聚變，於是恆星誕生了。在核聚變發生的同時，恆星會釋放出大量電磁輻射向四周擴散開來，周圍的氣體和塵埃受到電磁輻射的能量加劇運動向四處擴散，此刻這個地方就剩恆星老哥一個了。

圖：宇宙大爆炸物質星系的演化

而宇宙從誕生之初大量物質較為密集，隨著膨脹空間越變越大，因為電磁輻射的擴散，恆星之間距離會越來越遠，那麼恆星聚集而成的星系是怎麼來的？

圖：暗物質效果圖

原本的理論解釋起來很勉強，有了暗物質星系模型得到了完善。因為暗物質不受電磁力的影響，所以暗物質並沒有被推開，一直圍繞著恆星，幫助恆星拉攏住原本會四處擴散的物質，於是在老哥附近一顆顆恆星接連誕生，它們又在暗物質和相互之間引力的作用下組成了星系。因此人類可以用太空望遠鏡觀察到宇宙誕生不久星系團發出的光線，所以暗物質並非打醬油的！

總結

由星系的超速運動，天文學家發現了未知的引力，取名「暗物質」，人類無法探究暗物質是因為它不受電磁力，但是它反饋的結果可以幫助我們更好的解釋星系的運動及形成。