[科普中国]-宇宙中看不见的主人——暗物质

浩瀚无垠的宇宙总是能引发人们无穷的想象力与无尽的灵感，从古至今，人类对宇宙的探索就从未止步过。宇宙是富有诗意和哲理的地方。劳伦斯·M·克劳斯曾说：“你身体里的每一个原子都来自一颗爆炸了的恒星，形成你左手的原子，可能与右手的来自不同的恒星；你的一切都是星辰”。当我们抬头仰望夜空时，可以很清晰地看到繁星点点的银河，但在我们肉眼无法辨认的未知黑暗中，是否会存在我们不曾知道的事物呢？在我们认知范围内的物质：质子、原子、恒星、行星、星云、岩石、水、花草、树木、土地以及我们自己加在一起占整个宇宙不到5%，在剩余的95%中，有一部分就很可能是许多物理学家现在正尽力去寻找的物质——暗物质。

自牛顿发现万有引力定律以来，人们就一直尝试用引力理论来解释各种天体运动的规律，在数百年的探索过程中，暗物质的概念很早便开始形成雏形了。科学家在研究宇宙学的问题时发现，如果宇宙中的全部物质都是发光物质（恒星、星系等）的话，许多现象的理论推测与实际观测不符合。因此，为了解决这一难题，科学家们便假设宇宙中存在着我们用光学手段探测不到的、但却可以参与引力作用的未知的物质，且这种物质的质量远远多于我们现在观测到的发光物质的质量，科学家们把这种物质叫做暗物质。虽然现在科学家们没有发现直接的证据证实暗物质的存在，但仍有许多证据来支持这一设想，其中最主要的三个证据如下：

第一个证据和涡旋星系旋转速度曲线有关。我们知道，星系是在不断绕着自身旋转的，而星系的自转实际上是组成星系的恒星绕着星系中心公转组成的。恒星距离星系中心的位置不同的话，它的公转速度也可能不同。恒星的公转速度可以通过万有引力理论计算出来。如果星系全部都由发光的恒星组成的话，那么根据我们观测到的星系中恒星的分布，可以用万有引力算出，距离星系中心越远的恒星，它的公转速度应该越慢。但在实际的观测中，物理学家得出的结果却是，行星距离中心距离越远时，其旋转速度并没有越小，甚至几乎是恒定的。那么如果我们承认现有的引力理论在星系尺度上也是正确的话，就说明在星系中分布有大量的不发光物质，而且能够参与引力作用。这种不发光的，且能够参与引力作用的未知物质就被称作暗物质。

第二个证据与大尺度结构有关。在宇宙空间中，星系的分布的密度并不均匀，其在宇宙中的分布有密有疏，形成了一个“网”状的结构，这便是大尺度结构。物理学家们对这种网状结构的具体形状进行了计算，并且发现，如果宇宙中的物质全都由我们现在已知的发光物质组成的话，这种网状结构形状的计算结果和实际观测到的形状很不一致。但如果我们认为宇宙中还存在着我们用光学手段探测不到的、但能够参与引力相互作用的暗物质，大尺度结构形状的计算结果能够更好地吻合实际观测的结果。通过对宇宙微波背景辐射的精细观测，对大尺度结构形成和引力透镜效应的研究，在标准宇宙学模型下，暗物质大约占了可观测宇宙能量的23%，而正常的可观测物质仅仅占约4.6%。

第三个证据和星系、星系团、超团的质光比有关。质光比的含义是天体的质量和它亮度的比值。现今我们能够观测到星系、星系团或超团的亮度和质量之间的比值过于低。按照已有的理论来看，假如我们认定星系全部都是由恒星物质组成的话，按照星系的质量，它整体的亮度应该更大才对。但物理学家们观测到的结果却并非如此。所以在星系等的内部一定有很大部分的物质是不发光的，我们就称其为暗物质。

虽然有如上三个证据强烈预示着暗物质的存在性，但科学家们并没有方法直接证明暗物质的存在。因此，暗物质是否存在？是宇宙学中的一个重要问题。另一个重要的问题是，如果暗物质真的存在，那它究竟是什么？它到底由什么样的粒子组成？这也是留给物理学家的一大难题。

美国国家研究委员会2002年在一份由19名权威物理学家和天文学家联合执笔的报告中列出了新世纪要解答的11个科学问题, 其中“什么是暗物质”列在第一位。1957年诺贝尔奖得主李政道先生认为宇宙99%以上的东西是不为我们所知的。这给我们最大的启示便是，无论是暗物质，还是暗能量，亦或是其他我们尚未发现的东西，浩瀚苍穹总是充满诗意与美好，它也值得我们永远尊敬和深思，而人类探索宇宙未知奥秘的脚步，也从未停止。

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