暗物质，约占宇宙质量 85% 的物质。不发光，不容易被检测到。它的属性也仍然相当模糊。

现在，加州大学河滨分校的理论粒子物理学家及其同事在《 高能物理学杂志》上 发表了一篇研究论文，该 论文 展示了假设存在一种新型力的理论如何有助于解释暗物质的特性。

“我们生活在暗物质的海洋中，但我们对它可能是什么知之甚少，”物理学和天文学助理教授、该论文的资深作者 Flip Tanedo 说。“它是自然界中已知的最令人烦恼的未知数之一。我们知道它存在，但我们不知道如何寻找它，也不知道为什么它没有出现在我们预期的地方。”

这项新研究提出在时空中存在一个额外的维度来寻找暗物质，这是由 Tanedo 领导的加州大学河滨分校正在进行的研究是项目的一部分。根据这个理论，一些暗物质粒子的行为不像粒子。实际上，不可见的粒子与更不可见的粒子相互作用，以至于后者不再表现得像粒子。

“我过去两年研究计划的目标是将暗物质‘对话’的想法扩展到暗力量，”Tanedo 说。“在过去的十年里，物理学家开始意识到，除了暗物质之外，隐藏的暗力量可能会支配暗物质的相互作用。这些可能会完全改写人们应该如何寻找暗物质的规则。”

如果两个暗物质粒子相互吸引或排斥，那么暗力量就会起作用。Tanedo 解释说，暗力是由具有额外维度的理论在数学上描述的，并表现为粒子的连续体，可以解决小星系中的难题。

“我们在 UCR 正在进行的研究项目是对黑暗势力提议的进一步概括，”他说。“我们观察到的宇宙有空间的三个维度。我们提出可能存在只有暗势力知道的第四维度。额外的维度可以解释为什么暗物质对我们在实验室中进行研究的尝试隐藏得如此之好。”

Tanedo 解释说，虽然额外维度听起来像是一个奇特的想法，但它们实际上是描述“共形场论”的数学技巧——高度量子力学的普通三维理论。这些类型的理论在数学上很丰富，但不包含常规粒子，因此通常被认为与描述自然无关。这些具有挑战性的三维理论与更易于处理的额外维度理论之间的数学等效性被称为全息原理。

“由于这些共形场理论既棘手又不寻常，它们并没有真正系统地应用于暗物质，”Tanedo 补充道。“我们不使用那种语言，而是使用全息超维理论。”

超维理论的关键特征是暗物质粒子之间的力由无数不同质量的不同粒子描述，称为连续体。相比之下，普通力由具有固定质量的单一类型粒子描述。这类连续暗区对 Tanedo 来说是令人兴奋的，因为它做了一些“新鲜而不同”的事情。

根据 Tanedo 这种说法，过去对暗区的研究主要集中在模拟可见粒子行为的理论上。他的研究计划正在 探索 大多数粒子物理学家认为不那么有趣的更极端类型的理论，这可能是因为现实世界中不存在类似物。

在 Tanedo 的理论中，暗物质粒子之间的力与普通物质感受到的力惊人地不同。

“对于我在物理入门课程中讲授的引力或电力，当你将两个粒子之间的距离加倍时，力就会减少四倍。另一方面，连续力会减少四分之一最多八个。”

这种额外维度的黑暗力量有什么含义？由于普通物质可能不会与这种暗力发生相互作用，Tanedo 转向了自相互作用暗物质的想法，这是 UCR 物理和天文学副教授 Hai-Bo Yu 率先提出的想法，他不是该论文的合著者。Yu 表明，即使在与正常物质没有任何相互作用的情况下，也可以在矮椭球星系中间接观察到这些暗力的影响。Tanedo 的团队发现连续力可以再现观察到的恒星运动。

“我们的模型走得更远，比自相互作用暗物质模型更容易解释暗物质的宇宙起源，”Tanedo 说。

接下来，Tanedo 的团队将 探索 “暗光子”模型的连续版本。

“对于黑暗力量来说，这是一幅更真实的画面，”Tanedo 说。“暗光子已经得到了非常详细的研究，但我们的超维框架有一些惊喜。我们还将研究暗力的宇宙学和黑洞的物理学。”

Tanedo 一直在努力寻找他的团队寻找暗物质的“盲点”。

“我的研究计划针对的是我们对粒子物理学所做的假设之一：粒子之间的相互作用可以通过更多粒子的交换得到很好的描述，”他说。“虽然这对普通物质来说是正确的，但没有理由假设暗物质也是如此。它们的相互作用可以用交换粒子的连续体来描述，而不仅仅是交换单一类型的力粒子。”

暗物质是什么？

全宇宙的恒星正在爆炸，这些是宇宙的大灾难。但这些科学家认为爆炸是太空深处的灯塔，照亮了一场极大规模的战争。交战双方是两股神秘的无形力量。其中一种让我们存在，另一种则让我们毁灭。如今我们也陷入挣扎，试着了解这些庞大的力量，并了解黑暗之外的世界。

你、我、太阳与恒星，我们所见的事物都有个共通点，我们都是由原子组成的。已知宇宙的物质几乎都是由原子组成。但宇宙还有更多奥秘，我们正开始发现这一面。我们的身体、家园、世界、甚至太空里广大的虚空，都充满了一种神秘物质，这种物质十分奇特。过去许多科学家怀疑其存在，但是在2009年，超敏感的粒子探测器首度发现这些物质。这是惊天动地的发现，让我们必须重新检视我们在宇宙的地位，以及我们最终的命运。

发现暗物质

1960年，一位名叫Vera Rubin的天文学家决定去探索很少人研究的太空领域。她叙述道：那时她有两个孩子，一个两岁，一个四岁，她不想和其他天文学家一样竞相研究热门领域。Vera 知道如果要研究黑洞之类的热门领域，其他天文学家会比她更早发表成果，因此她转而研究冷门的天文学课题。当时，她也不确定自己为何要研究星系，但她觉得星系非常神秘，当时的她们了解也不多。尤其是关于星系的运动。起初，Vera用望远镜观察银河系最近的邻居——仙女座星系。跟多数星系一样，恒星密集地聚在仙女座中心。Vera预期看到无数恒星围绕着中央运行，就像太阳系的行星一样，遵守牛顿的重力法则。恒星离中心越远，就运行得越慢。

Vera的父亲在40年前退休时为她制作了一个太阳系模型，在这个模型中可以观察到牛顿的理论。水星、金星、地球和火星。火星的速度最慢，其次是地球，水星的速度最快。因为火星受到的重力远小于水星受到的重力。所以，火星的运行速度较慢。Vera在观察星系时，认为恒星也会以这种模式运行，离中心越远，运行得越慢。但是结果并非如此，她们花了两年左右的时间，才测量到90个仙女座恒星的速度。结果非常惊人，她们发现所有恒星的运行速度完全相同，都是每秒250公里。接下来的几年，Vera观察的星系都出现这种不可思议的结果，从星系中心到边缘的恒星运行速度都一样。这跟太阳系的现象完全不同。唯一的解释就是，不管恒星离星系中心有多远，所受的重力都不会减弱。然而，这是不可能的，除非星系的质量大于天文学家的观察结果。合理的解释是星系一定有大量的无形物质，事实上或者90%-95%星系里的物质都是无形的。

这是真正具有创新意义的观念，星系也许充满着看不见的物质。科学家只能把它们称为暗物质。但这么激进的理论需要确凿的证据。不久就有许多天文学家检视Vera的观察结果。有的人很想推翻她的理论，有的人则很想了解这神秘的暗物质究竟是什么，又存在于哪里。这实在很神奇，也很有趣。Vera选了这块领域，因为她想研究其他人不在乎的东西。但突然间有很多人和她一起研究，他们提出看法与观察结果，让这块领域变得热门。

什么是暗物质？

在大西洋对岸的英格兰，顶尖的宇宙学家Carlos Frenk开始研究暗物质的观念。但他用的不是望远镜而是方程式。他将牛顿重力法则输入非常精密的计算机仿真程序。他介绍说这台宇宙机器是非常大的超级计算机，它的唯一目的就是模拟宇宙。这里有1300台计算机同时运作，即使如此，要模拟宇宙的一小部分也要花好几个月。这种强大的运算能力超乎我们的想象，但这是模拟宇宙的必要条件。

起初，Carlos进行模拟时使用的是科学界公认的初期宇宙成分。也就是虚空里的巨大气体云。然后他就等着看这台宇宙机器是否会制造出我们看到的星系。Carlos道：我们只用看得见的物质，在计算机里仿真星系，结果会如何？恒星形成、演化、最大的恒星爆炸成为超新星，进而散发极大能量。但是重力不足以留住这些气体，所以星系会自行消散，气体会消散殆尽。但宇宙并不是这样形成的。

因此，Carlos将暗物质加入方程式。他一点一点地增加，最后他增加的暗物质是可见物质的5倍。几周后，宇宙机器出现奇怪的现象。Carlos发现这次计算机仿真星系的形成用的是无形的暗物质和气体，大爆炸发生约十亿年后，形成团状暗物质。气体进入这些团状暗物质，形成恒星。无形暗物质的重力将这些团状物凝聚起来，融合成更大的结构。所以百亿年后就形成美丽的螺旋星系。我们的银河系就是这么来的。

Carlos证明如果有大量的暗物质就能形成星系。但如何去证明真有其事？

验证暗物质

在苏格兰的爱丁堡，Richard Massey仍在设法解开这个问题。他创立了一种全新的方法探测暗物质——重力透镜。多亏了爱因斯坦，他用了全新角度观察太空，他认为太空是可弯曲变形的物质，受重力影响。凡是有质量的恒星或星系，都能扭曲太空的结构，就像透镜一样。太空结构一扭曲，通过的光线也会扭曲。

暗物质不会反射光线，也不会吸收或发射光线。光线会通过暗物质，不受影响。所以，我们要观察其他地方。像是暗物质如何用重力影响可见物质。光线会因为扭曲的时空而偏斜，听起来很疯狂，其实这是很熟悉的现象，我们常看到光线扭曲。透过酒杯的底部就能看到。虽然酒杯底部是透明的，光线可以直接通过，但是背景影像扭曲了，所以光线也扭曲了。暗物质就像这样，会借着各种物理效应扭曲光线，但是最后的结果都一样。星系前方若有暗物质，影响就会扭曲。

这两年来Richard带领各国的天文学家使用一批望远镜观察一部分夜空，寻找所有看得见的重力透镜圆弧。“这个画面是重力透镜的影像，”Richard道：“这些黄点都是离我们较近的星系，这些奇怪的弧形其实是远方的星系。远方星系的光线会通过较近的黄点也就是前景星系。因为前景星系会扭曲太空，也会扭曲远方星系的光线。因此，远方星系的影像就变成弧状的光。”

Richard运算远方星系的光线遭到扭曲的程度，再跟前景星系的可见质量相比。他发现实际的弧度比理论上要大得多。因此，他推论无形的暗物质一定遍布在所有的星系里。从重力透镜的影像里，Richard他们发现暗物质的数量是正常物质的5倍，他们看到的还只是宇宙的冰山一角。宇宙里的大部分物质都是暗物质。

无论天文学家观测哪里，他们都开始感受到大量的暗物质。但Richard打算再迈进一大步，他要首度拍下这个宇宙巨人的影像。他拍下后，我们就发现暗物质对我们的重要性超乎我们的想象。

Richard花了几年时间设法证明暗物质的确存在，这种无形的物质就像形成一块布裹住宇宙所有的星系。他非常仔细地探索一小块宇宙，以绘制第一张暗物质的地图。“这张实际的天空照片是哈勃太空望远镜拍下的，上面有无数的星系。我们可以非常精准地测量这些星系的形状。以及星系形状的扭曲程度。我们观察星系光线，通过暗物质时的扭曲程度，就能画出暗物质的地图。

光线通过星系受到扭曲，最后抵达地球，同时也勾画出暗物质的地图轮廓。Richard让这块无形的宇宙剖面图现形，“这是前所未见的三维地图，显示出宇宙的真实面貌，以及宇宙的主要成分。如果有外星人过来观察我们的宇宙，如果它们可以看到我们宇宙的所有成分，他们就会看到这幅景象。”这就像是宇宙暗物质的汤，最浓稠的地方就是星系形成的位置。

这就是Richard绘制的暗物质地图，左边的图片是宇宙星系与气体的实际位置，这些是正常物质。有巨大星系团的地方，就有高浓度的暗物质。这边有一个巨大星系团，这边就有对应的暗物质光圈环绕在四周。重叠这两张图片，能发现两者的位置相同。正常物质存在于暗物质的支架里。

暗物质的特性

Richard观察了庞大宇宙的一部分，而Frank则用计算机仿真出整个宇宙。

Frank：“在这里可以看到暗物质形成的复杂样式,这个网络充满细丝与团状物，我们称之宇宙网。在团状的暗物质里，会形成像银河系一样的星系，气体会在里面冷却凝聚，最后形成恒星。暗物质就像宇宙的骨架，有了这种骨架才会出现星系。”

这背后的含意相当惊人，有了暗物质才会形成今天的一切。没有暗物质就没有星系，也不会有恒星、行星，结果就不会有生命。暗物质在40年前还是个奇特的概念，而如今已不只是个概念了。原来暗物质对我们的存在十分重要。而我们正在逐渐了解其原理。我们知道暗物质和光没有交互作用，但是会受到重力影响。

到了2004年，望远镜拍下了这个画面，让我们了解暗物质的新特性。在40亿光年之外，就是已知宇宙1/3的距离，两个星系团发生碰撞，激发出惊人的能量。数以兆计的恒星以3000里的秒速交错而过。星系团受震波扭曲，变成子弹的形状。此事件称为——子弹星系团碰撞。这种天文奇观让天文学家相当兴奋，更令人振奋的是，由此可知暗物质比我们想象的还要奇特。子弹星系团其实是两个独立的星系团，两者都有暗物质和正常物质。这两个星系团相撞时，就像是宇宙里的巨大车祸。正常物质的速度减慢，并逐渐散发出X光，然后速度开始减慢。最后停在碰撞点附近。但暗物质在撞击后继续运动，最后会比正常物质距离碰撞点更远。

要了解整个过程，我们可以通过实验来表述。在这个实验里，我们用车代表正常物质，然后加上另一个要素——粒子（代表暗物质）。当粒子在碰撞时有什么不同反应？正常物质发生碰撞会停下来，暗物质就完全不同，根本不会有交互作用，它们在碰撞时会直接穿过，继续移动。然后我们看到，暗物质比正常物质离碰撞点更远。子弹星系团就是最好的证据，显示了数十年来天文学家观测到的无形物质和正常物质相比，性质相当不同。这是全新的发现，科学界所知不多。暗物质不受正常物质影响，也不受自身影响。两团暗物质相撞时，会直穿彼此，没有产生作用。在半个宇宙外的天文灾难，证明了暗物质的确存在。而且它们不同于所有我们已知的事物，几乎像幽灵一样，看不见，摸不着。

如何找到“暗物质”？

我们活在物质与光的宇宙里，物质让我们存在，光延续我们的生命。如今我们知道这只是一小部分分真相。我们的宇宙还充满一种神秘物质——暗物质。它看不见，摸不着，却到处都是。每秒都有无数暗物质粒子通过我们的身体，如果科学家可以抓住这种粒子加以研究。那么，我们能否想出办法一窥这种难以捉摸的物质？有些科学家认为这是有可能办到的。他们深入探索地球的黑暗内部。

过去100年来，物理学家发现所有物质都是由20种基本的次原子粒子组成。像是玻色子、电子、夸克和微中子。但物理学家也怀疑还有其他的罕见粒子。暗物质是什么，相关理论有很多。科学家正在逐一研究和排除错误的理论。目前暗物质的主流理论是超对称粒子。也就是说，我们所有已知的正常粒子都有相对应的粒子。这组多出来的粒子存在暗物质里，不会和正常物质起作用。只会有相当微弱的重力。

科学家把这些暗物质叫做 大质量弱相互作用粒子 （WIMP）。这些粒子和正常物质的原子几乎没有交互作用，因此很难截取它们并加以研究。此外，因为日常充满了正常物质的粒子，科学家很容易就会误取正常粒子，而错过了WIMP粒子。Dan Bauer找到了取得它理想的地点。在明尼苏达州废弃铁矿厂的地底半里处。这或许并不是物理研究机构的首选地方，但选这里的理由是因为他想避开来自太空的宇宙射线粒子。地下半里的岩床足以抵挡背景噪声，要找到WIMP粒子轻而易举。但其实并非如此，WIMP粒子侦测器外面有厚达数尺的金属与重塑料护罩。山洞的岩石和周围的物质就连我们身体都带有微弱的放射线。要是这些粒子进入侦测器，会产生很大的背景噪声，导致无法找到WIMP粒子。而护罩可以防止这些粒子进入侦测器。

护罩里有18个曲棍球饼大小的固态锗晶体，用来侦测微弱振动，WIMP粒子撞到晶体时，就会产生这些振动。为了有成功的机会，晶体必须相当纯净，温度要求非常低。

Dan：“这是固态锗晶体的模型，这些网球就代表晶体的锗原子。在室温下，相对地这些原子会向彼此移动。这是我们所知道的热能。要是把WIMP粒子丢到晶体里，根本就看不出差异。因为晶体的振动很激烈，要是我们把温度降到绝对零度左右，此时原子就会停止运动。然后我把WIMP粒子丢进晶体，就会看到晶体振动，这就是我们在寻找的信号。”

这种粒子和普通物质几乎没有交互作用，每秒都有无数个WIMP粒子通过我们身体，因为它的交互作用弱，所以只会通过我们继续前进。它们会通过整个地球，继续前进。我们预期每年只能侦测到一、两个这样的粒子起作用。因此，几率很小。为了避免误测，他们会不作分辨地搜集资料，用的是计算机硬盘里的密封盒。在一整年里，工作人员都不能搜查里面的WIMP粒子信号。经过7年，耗费上千万美金，在2009年底打开盒子，里面是一整年的数据中，终于发现了WIMP粒子的踪迹。这或许是第一次，我们确实找到了这种难以捉摸的暗物质。这或许让我们能更进一步了解暗物质。但Dan并不完全肯定他找到的就是WIMP粒子。因此，他们得继续找更多的粒子。他还需证明找到的粒子是WIMP粒子。

找到WIMP粒子对我们有什么意义？

要是我们找到这些粒子，就会出现全新的物理领域。如果宇宙里真有超对称粒子，这种粒子有自己的交互作用和特性，同时也是宇宙的主要成分，那这就是全宇宙的现象。我们的物理现象反而是旁枝末节。

暗物质与宇宙

但正当科学家觉得他们越来越了解暗物质的时候，他们有发现很奇怪的现象。或许暗物质能够让星系形成，但实情不只如此。在21世纪初，太空探测器发现黑暗中还有别的东西。暗物质将一切结合起来，但是有一股力量或许会摧毁整个宇宙。

如今我们知道可见的宇宙就像浪花，漂在暗物质的大海上。天文学家发现自己漂浮在这片陌生的海上，过去20年来，Saul都在研究这片海域，设法确定暗物质对我们最终的命运有何含意。宇宙会永远存在吗？还是会在某天突然停止，整个崩塌？Saul在读物理时就非常想了解这些问题。他决定追随前人脚步，20世纪最杰出的天文学家Edwin Hibble。

在1920年代，Hibble开始详细观察夜空里的数十个星系，但他觉得有件事很奇怪。几乎全部星系都是红色的，物体远离我们的时候，音调会变低，光线则会变红。Hibble推论宇宙里所有的星系正在快速离我们远去。结论只有一个，宇宙一定是在不断扩张。但他不知道扩张速度是多少，原因又是什么，因为接近我们的暗淡星系看起来就像远离我们的明亮星系。因此他无法判断距离。

困难的地方是你必须知道这些星系实际上有多亮，才能判断有多远。如果你在海上坐船，你在浓雾里看到远方有灯塔，有可能是灯塔的光线很亮，但是离你很远。也有可能是灯塔的光线很暗，其实就在眼前。这个根本的问题在前几个世纪一直困扰着天文学家。但是这个问题有办法解决，自从1980年代天体物理学家就知道有种特殊的恒星爆炸，叫做1A超新星。比太阳稍大的恒星快要用尽燃料的时候，会变得更小，更暗，更紧密。这个阶段称为白矮星。白矮星已经在垂死边缘。但是它仍然有可能复活，只要找到新的燃料就行。如果白矮星属于一个双星系统，邻近的恒星就能提供燃料。一旦白矮星的重力从邻近恒星获取足够质量，就再也不能回头，只会爆炸。此时它的温度超过10亿度，它多数的气体会扩散到太空中。

1A超新星完全符合我们的目的，因为这类恒星的质量相同，爆炸达到巅峰时会产生相同的亮度。光亮会持续几周，在几个月后逐渐黯淡，如果我们能观察到这种现象，尽管爆炸在数10亿年前已经发生了，我们还是能够得到标准，来判断星系的距离。

相同质量所产生的明亮爆炸总会发出等量的光线，用看到的光线判断超新星离我们有多远，在理论上应该可行。但是实际上有问题，这个想法听来很棒，但是非常难执行。1000年里只有几个超新星，每个星系都是如此，人们无法知道哪一个会爆炸。因此很难安排到世界上最大的望远镜，那是要在几个月前预约的。Saul与他的工作团队灵机一动，每隔几周就拍摄相同的夜空广角照片。再用自动化程序在里头寻找超新星的闪光。如果研发的计算机程序够精密，就能在他们搜集的照片里比较数量庞大的星系，看里面是否有三周前从未出现的闪光。如果有的话，就可能是超新星。

在短短5年内，Saul团队在38个星系里发现38个恒星变成超新星。他们能发现超新星爆炸，因而成为传奇。最后，我们得到足够数据评估宇宙的现况。提出了天文学上自Hibble以来最惊人的发现,Saul：“我们一直以为宇宙在扩张，而宇宙间的物质会因重力而互相吸引，因此重力会减缓扩张速度，我们一直想知道这种现象会持续多久。会不会有一天就突然停止了？但我们发现上述问题都不存在，扩张速度根本没变慢，显然宇宙扩张的速度反而越来越快。Saul的团队意外发现星系间有股无法解释的互斥力，因此宇宙会逐渐扩张，他们称之为暗能量。显然宇宙并不像我们想的一样以重力互相吸引，而是受到某种我们从未研究过的东西控制——暗能量。暗指的是我们对它一无所知，而不是东西的颜色。这股能量会加快宇宙扩张的速度。

暗能量与宇宙

2001年夏天，三角洲二号运载火箭携带一个小型探测器进入太空，探测器名为威尔金森微波各向异性探测器，是为了观察最遥远及最远古的宇宙，并研究大爆炸留下来的微弱回声。

David Spergel是威尔金森微波各向异性探测器科学家。我们通过探测器看到的是宇宙快照，非常接近大爆炸时期，当时宇宙非常简单，就像为宇宙拍婴儿照一样。探测器花了6个月逐渐拼凑出宇宙婴儿时的样貌，并侦测大爆炸的余烬，所产生的微小波动与温度。

宇宙初期就如同平静的湖面，非常均匀而平滑。在初期的宇宙里，到处都有微小的密度变化，这些变化会产生声波，就像湖里的涟漪一样。涟漪的变化取决于湖的深度和水的特性，如果湖水是水银，涟漪就会有截然不同的变化，我们藉由涟漪移动的速率以及散开的模式，就能知道湖的特性。研究初期宇宙亦是如此。

要研究这些涟漪与大爆炸的回声，需要分析非常大量的数据，设法计算解决复杂的方程式，最后通过1.5年时间他们以惊人的精确度说明宇宙的成分。目前，4.6%的宇宙由原子组成，暗物质则占23%左右，特别奇怪的是72%的宇宙是由暗能量组成。暗能量几乎占了宇宙的3/4！

100年前，我们还以为我们的银河就是整个宇宙，后来发现宇宙有无数的星系，就像银河一样但是跟我们分开。如今我们知道宇宙正在扩张，逐渐远离我们。不仅如此，扩张的速度还越来越快。我们原本熟悉的宇宙就像家一样，如今变成广大无垠的虚空。

观察黑暗彻底改变了我们对宇宙与自身的看法。构成我们的物质——原子只占宇宙的4.6%，将近1/4的宇宙是暗物质，它让星系得以形成，而3/4的宇宙是暗能量，这种无法解释的能量会摧毁一切。我们的宇宙最后会不会因此灭亡？

暗物质和普通物质最大的区别就是它完全不可见，只能通过天体速度异常来确认它的存在

古典物理学奠基人艾克萨.牛顿在17世纪对引力现象进行了总结归纳并发展出了“万有引力定律”，该定律结合微积分这个强有力的数学工具后开始在天文学中大放异彩， 比如说海王星就是在物理学家先用万有引力定律计算出轨道的情况下再被天文学家“蹲点捕获”的 ，因此海王星也被称为“笔尖上发现的行星”

除了发现新行星以外，万有引力定律还告诉我们“引力的大小与距离的二次方成反比”，这也是为什么距离太阳越远的行星公转速度越慢（ 海王星需要84年才能绕太阳公转一圈 ），距离太阳越近的行星公转速度越快的原因（ 水星只需要87天就能绕太阳公转一圈 ）

万有引力定律以及平方反比定律 的准确和高效一度让天文学家们认为整个宇宙的天体运行规律都再无秘密可言，然而他们错了。

1933年天体物理学家兹威基通过光谱分析了后发座星系团内的星系运动速度，然而分析结果却显示星系团边缘的星系运动速度竟然比星系团内侧星系的运动速度还要快，而按照平方反比定律外围星系的运动速度应该慢于内侧星系才对， 于是兹威基认定在后发座星系团内肯定还有其他未被发现的物质提供着额外的引力，这种“额外物质”便是今天我们说的暗物质。

后来的天文学界从兹威基的发现入手，开始大规模分析宇宙中的天体运动速度，结果发现暗物质竟然是广泛存在于宇宙中的（ 在如今的宇宙学模型里暗物质占比24%，而普通物质仅占4.6%，剩下的71.4%则是暗能量 ）

目前可以确定的是暗物质不是由我们已知的任何粒子构成的，我们无法在电磁波频谱上发现它的踪迹，所以目前物理学界对暗物质的研究还很艰难，我国的“悟空”暗物质探测卫星也仍然在艰难寻找暗物质的踪影。

没有人见过的暗物质，听起来就像是幽灵一样。直到今天，天文学家和物理学家仍在探讨它们是否存在。要想回答这些我们还不能直接探测到的物质的存在，显然是困难的、粗浅的。

1933年，美国加州理工学院的瑞士天文学家 茨维基（Fritz Zwichy） 最早提出证据推断暗物质的存在。他用多普勒效应测定 后发座星系团（Coma Cluster） 中各处的旋转速度，发现中央向外天体转速并不减少。根据牛顿万有引力定律，在这个星系团中一定存在着我们没有考虑到的因素。由于没有证据说明除了引力之外还有其他的力可以对星系结构发生影响，则唯一合理的解释就是，在该星系团的周围存在着看不见的 “暗物质”。 它们包围着星系，像一只巨大的晕轮，而且看不见的物质要比看得见的恒星、气体云等多上百倍。
我们的太阳系可不是这样的，太阳系中99%的质量集中在太阳上，不发光的行星、彗星总共不足1%；离太阳近的行星公转得快，如水星的轨道速度是48公里/秒，而远处的冥王星转速慢，只有4.7公里/秒。因此当时几乎没有人相信茨维基。

到了上世纪70年代，美国天文学家 薇拉·罗宾（Vera Rubin） 根据天体运动状态建立了星系运动计算机模型，可以非常准确地预测出观测到的太阳系的真实运动。但她在预测其他星系运动时却出乎意料地失败了。罗宾测量了60多个与银河系相似的星系旋转速度，得出与茨维基相同的结论。

射电天文学家测量星系外围射电气体云的转速，表明也有许多暗物质，其质量远超过稀薄的的气体云。如果在计算机程序中加入代表这些暗物质的参数，就可以准确地预测星系的真实运动。这样一来，暗物质的存在似乎变得不容质疑了。
那么唱宇宙总质量主角的暗物质到底是什么？

天文学家煞费苦心地猜想，迄今没有令人满意的答案。如果暗物质与我们已知的普通物质一样，也是由原子组成的，银河系中就该有100亿个黑洞；但即使有这么多黑洞，宇宙中元素的比例也应与现在所知的大不相同。要不就是每个恒星周围有大量行星，例如太阳系中就该有一万个木星，但这么多行星中只要有几个质量再大100倍，就会发生核聚变而发光，也就不是暗物质了。

由此，有学者假设，牛顿动力学理论应用于远距离时应作修正，但目前尚无法验证。

物理学家猜想，暗物质很可能不是原子，甚至不是质子、中子组成的，而是中微子，或是假设中的“轴子”（axion）、惰性中微子（sterile neutrino）、或“弱相互作用有质粒子（WIMPs）。它们或许还有点状的neutralino（超对称理论预言的中性粒子，比质子重100 500倍）和延展的Q-ball（超夸克或超轻子的集合）等不同类型。 检测这些粒子的实验正在完善中。

根据已有的发现，暗物质可能聚集在我们星系的周围，并像普通的恒星、行星和星际尘埃那样运动。科学家目前的研究认为，暗物质多达宇宙物质的约85%，这意味着我们看到的数以千计的恒星物质只占宇宙总物质质量的约15%。
既然暗物质不能发光发热，我们又如何确认它们呢？

天文学家表示，根据星系的运动，暗物质必然有质量，会受到引力的影响。它们很可能存在于星系的晕轮之中，并且可能是成团的和高密度的。他们自称是在寻找 MACHOs（Massive Astro-physical Compact Halo Objects） ，即晕内大质量高密度天体。

根据爱因斯坦理论，光线在传播途中经过大质量物体的附近，会使光的传播路线发生弯曲，甚至还能计算出光线弯曲程度的大小。这一成果引发了搜寻MACHOs研究者的灵感：如果在星光经过的地方有足够的暗物质存在，那么相关的恒星看起来会更亮一些，这是符合逻辑的。
恒星的光线在传播途中经过一块块暗物质，暗物质的引力会使光线一次次地折弯，这样就使得一些其传播方向不是朝向地球的光线也到达了地球上，恒星看起来就亮得多。这种现象被称为 “引力透镜效应”。

MACHOs研究团队发现，有些实际的观测目标很符合理论预测中的对象，获得了许多很有说服力的暗物质存在的证据。这种由星系团产生的引力透镜效应，只有在很多暗物质存在的情况下才能被解释。现在，暗物质的假设已被学界广泛认可。
虽然迄今也未见到暗物质的真相，天文学家已经在思考暗物质的巨大份量对宇宙演化的影响。我们的宇宙目前正在膨胀中，如果宇宙中有大量的暗物质，那么宇宙或许会重新收缩；而如果暗物质不多，宇宙或许会继续膨胀。这是一个宇宙演化最终归宿的最基本问题。

2021年12月，我国发射了首颗暗物质粒子探测器（Dark Matter Particle Explorer） “悟空号” 科研卫星，致力于寻找暗物质。科学家们将努力 探索 解开暗物质之谜，谜底揭开之日，就是科学跃上新台阶之时。

（谢谢阅读）

以上所说的，是我的瞎掰猜想，如说得不好，请多多包涵见谅！谢谢！

关于暗物质，自从上次我们国家悟空探测器的发现，暗物质开始被我们所熟知。不过，实际上暗物质的概念在上世纪就已经被提出来了。那具体是咋回事呢？

多余的引力？

上世纪30年，就有科学家发现，星系周围的恒星跑得比理论计算的快，就拿我们太阳系来说，如果按照理论计算，应该是160km/s，但是实际观测的结果却是220km/s。(这里所谓的理论，就是以牛顿的万有引力为基础的理论。

不仅仅是太阳，其实类似的情况是十分普遍的。很多星系的恒星都跑得要比理论值快得多得多，当时也引起了很多科学家的疑问。

恒星跑得快也就算了，但问题是，“跑得快”这件事并不简单。如果我们试想一下这样一个场景，你拿着一个有线的耳机，然后开始甩起来，让耳机绕着手指做圆周运动。如果你甩的越快，实际上你所需要要拽住耳机的力气就越大。类似的事情其实也发生在奥运会赛车上，有一个项目叫做链球，如果运动员把链球甩起来的速度越快，那所需要拉住这个链球的力就越大。因此， 这种“异常的高速”预示着多余的引力存在。

暗物质

为了解决这个问题，物理学家不得不假设“暗物质”的存在。为什么要做这样的假设呢？

其实我们只要思考一下，我们是如何观测物理现象的就可以。在宇宙中，目前我们已知的存在四种作用力，分别是强相互作用，弱相互作用，引力，电磁相互作用。

强相互作用和弱相互作用其实都是在原子核的层面上。也就是说，日常生活中，除了引力之外，剩余的都是电磁相互作用，我们熟悉的弹力，摩擦力等都属于电磁相互作用。甚至是我们观测宇宙中的物理学现象都是如此。具体来说是这样的，在宇宙中某个天体发出电磁波（光子），经过漫长的传播到达地球，然后被地球附近以及地球上的探测器所捕捉到，这时候我们也就得知了某个地球存在这某个天体。所以，我们能够看到东西或者观测到东西，是需要现象或者物体自身要发光。

而暗物质很奇葩，它其实不参与到电磁相互作用当中，因此，我们并不能观测到暗物质的存在。不仅如此，根据目前的研究来看，暗物质在宇宙中的占比比已知物质还要多，是已知物质的5倍左右。

但由于它自身属性的缘故，使得暗物质粒子时时刻刻在穿过我们的身体，但我们不得而知。这一点有点类似于“上帝粒子”中微子的感觉。

因此，想要不被人类所观测到的办法就得不参与电磁相互租用。而这也是暗物质最大的特点。除了这个特点之外，暗物质还有啥特点呢?

暗物质有

基于上文的讲解，我们大致对暗物质有一定的了解。我们要知道，如果暗物质并不存在，那这时候的银河系应该是会散架的。这是因为需要一下子减少5/6的引力。如果我们换个角度来看这个问题，我们就会发现，早期的星系形成其实暗物质应该占到了大头，否则星系应该是无法形成的。因此，我们可以认为暗物质其实是星系形成过程中起到了十分关键的作用，也就是说，暗物质实际上是星系的粘合剂。

答：暗物质是当前天文观测中，出现与理论不吻合的现象后，假设存在的一种未知物质。

好比：夜晚你走在路上，突然听到路边有异响，你看不见那东西，但是你的确听到了异响，所以你猜测可能遇到“鬼”啦！这个“鬼”，就好比科学中的暗物质。

上个世纪，天文学家发现，某些星团的运行速度，远高于理论计算速度；按照理论计算，该速度下的星团足以四分五裂，可事实并非如此。

后续天文观测中，发现了更多类似的异常现象，于是科学家开始研究，到底是什么导致了观测与实际不符合，在排除了各种可能的原因后，暗物质理论成为主流。

暗物质理论描述： 宇宙中存在一种看不见的物质，它们不同于我们已知的物质，暗物质参与引力作用，使得观测到的天文现象和现有理论出现偏差。

据暗物质理论推算，我们宇宙质量的26.8%由暗物质构成，因为暗物质难以被观测到，只能通过引力作用去发现它，所以暗物质成为当今物理学的“乌云”之一。

神秘的宇宙势力—暗物质

1915年，爱因斯坦提出了他一生中最伟大的科学理论-广义相对论。广义相对论的提出推测出许多关于宇宙的结论，比如史瓦西通过广义相对论的引力场方程解出黑洞这种天体的存在。而爱因斯坦通过广义相对论推测出宇宙的平均密度必须达到5 10^-30克／立方厘米，这样全宇宙才能保持稳定，后来通过观测得知，宇宙的平均密度只有这个值的1/100而已。

引力让宇宙星系诞生

我们知道，在太阳系中，地球的运行轨道与太阳的引力是息息相关的，而太阳的质量产生引力与地球的离心力正好达到受力平衡才致使地球稳稳的运行在现在的轨道上。但是科学家在观测更大一级别的星系时（比如银河系），发现了一个奇怪的现象，星系中心的恒星的公转速度远远超过了开普勒定律推算的近似值。

太阳系

以上的种种现象及理论推导，引领着物理学家们提出了宇宙中可能存在着一种我们无法观测到的物质。这种物质人类看不见摸不着，但是却实实在在掌控这宇宙的平衡。物理学家们给这种物质起了一个相对于看得见的物质的名字——暗物质。

暗物质到底是什么组成的？

首先来说说我们身边常见的物质， 20世纪到现如今，标准模型的建立统一了物质的三大基本力（电磁力、强力、弱力）同时也表明了组成物质的基本力的种类很多。包括电子、光子、夸克，中微子等基本粒子。

暗物质是当今科学界最大的谜之一

我们为什么能够看得到，摸得着常见的物质呢，因为常见的物质中的电子与光子发生电磁相互作用使我们的眼睛和手都能感受到。而暗物质与其有着显著的区别，暗物质不与光发生电磁相互作用，但是其与与普通的物质相同的特性是都能够形成引力作用。

目前为止，能够确定的是，暗物质占整个宇宙物质成分的26.8%，暗物质的运动速度远远低于光速，暗物质应该是电中性的，同时在银河系周围大量的存在，这些是人类对暗物质的全部了解。当然，科学家们也作出了大胆的推测认为暗物质可能是已知61种基本粒子中的3种中微子和3种反中微子。

宇宙物质组成

探测暗物质到底有什么用？

暗物质和暗能量总共占据着宇宙可观测宇宙质量和能量的95.1%。暗物质未来将与常见的物质分庭抗礼，也是科学家研究的下一个风口。

暗物质虽然现在看起来没有什么用，但是一旦弄清楚暗物质的组成以及特性，将会对人类未来的生活带来根本性改变。就像100多年前的量子力学一样。

暗物质探测器 悟空号

科学的本质其实是永远探知未知，随着中国悟空号暗物质探测器的发射，中国乃至人类对暗物质的研究将更近一步！

奇怪的天文学现象

如果你要问，如今对哪些现象的研究，可以大大加快科学理论的进程，那一般来说会有这么几个， 它们分别是：暗物质、暗能量、引力波、中微子、希格斯玻色子等等。 如今，各国也在大力发展这些领域的研究。

在这种领域当中，暗物质是已经有比较靠谱的理论，只是要验证理论比较困难。而中微子、希格斯玻色子、引力波则是需要实验物理学家进一步提高设备精度，获取更多的信息并继续迭代如今的理论。而暗能量则是完全的“混乱”，在学术界有数不清楚的“暗能量”假说，但具体哪个靠谱，一时半会都很难会有结果。

今天，我们就先来聊一聊：暗物质到底是什么？

首先，暗物质到底存在不存在？这件事情目前来看，科学家是确定它的存在，但并不是说它就一定是存在，在某程度上说，如果现在的引力理论，也就是广义相对论出现一些瑕疵，就有可能导致暗物质的分析是有误的。不过，这都是后话了。

不过，我们可以先下一个定义，暗物质其实是指一类现象。那这类现象到底是什么呢？

话说，在上个世纪30年代，两位天文学界的大神都发现了一些和目前引力理论不匹配的现象，这个现象归结起来就是说，星系中的恒星按理论来说，应该是距离星系中心越近的天体，运动速度越快，距离越远的，速度越慢。可实际观测下来，科学家发现，星系周围的天体并不符合这样的规律，距离星系中心比较远的天体，依然可以跑得很快。

可我们要思考一个问题，如果距离星系中心远的天体速度远比理论值更高，这就说明所需要牵引住它的引力就越大。可能这并不太好理解，我们可以举个例子，如果你有个有线的耳机，这时候你把它甩起来，你就会发现，当然你甩的越快时，你所需要的拉住耳机的力就越大，否则耳机就会被你甩出去。

太阳系在银河系当中，按照理论计算，科学家发现太阳系绕着银河系质心的运动速度应该是160km/s，但实际的观测的结果却是240km/s。

所以，一定是存在着某种物质提供了额外的引力，拉着了太阳系，否则按照目前的计算，如果以240km/s的速度运动，太阳系一定会被甩出去。于是，科学家假设了存在一种我们看不见的物质，它提供了额外的引力，并且把它命名为： 暗物质 。

暗物质到底是什么？

上世纪50年代前后，科学家利用大型对撞机，撞出了100多种粒子，同时他们还发现了宇宙中存在着4种作用力，分别是 强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用，引力 。于是，科学家将这些粒子以及四大作用中的强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用统一了起来，建立了粒子物理学标准模型。而暗物质呢？

目前科学家认为，构成暗物质的粒子不属于这个模型中的任何一种粒子。也就是说，暗物质不会参与到电磁相互作用，强相互作用，仅有微乎其微的概率可能发生弱相互作用。它主要参与的其实就是引力，所以它应该是有质量的。

而且，主流科学界认为，暗物质粒子很“懒”，这个懒说的其实是它运动得和缓慢。如果从微观世界中来看温度，温度的本质其实是微观粒子的热运动。整体上，微观粒子运动得越剧烈，温度就会越快，相反，微观粒子运动得越不剧烈，温度就越低。

科学家认为，构成暗物质的粒子属于后者，也就是微观粒子运动得比较缓慢，属于温度比较低的这种情况，所以，如今的暗物质模型被称为冷暗物质模型。这里的“冷”指的就是温度低，“暗”指的就是看不到。看不到的原因其实和它不参与电磁相互作用有关，我们人类其实主要是通过电磁相互作用来观测的。（只有极少数用引力波观测）

以上就是科学家对于暗物质的理论分析。可能你要问了，那暗物质有什么用？

实际上，你可以把它理解成星系的粘合剂。科学家发现，凡是大型的星系基本都有暗物质，如果没有这些暗物质，这些星系中天体不可能跑得这么快。如果我们假设这些暗物质突然全消失了，那这些星系中的天体就会沿着轨道切线飞出，也就是说，整个星系就会分崩离析。因此，正是暗物质的存在，才使得星系得以聚合成一个星系。

至少在目前还没有弄清楚暗物质是个啥玩意，但暗物质确确实实的存在，而且比我们能看得到的物质多很多。

暗物质的发现基于引力场理论，这个理论认为质量是时空弯曲的根源，也是万有引力现象的本质。科学家们在观测宇宙状态时，发现很多违背引力场理论或万有引力的现象，也就是说根据所看到的物质质量，根本不可能形成目前的天体运行状态和时空弯曲的尺度，如引力透镜、宇宙大尺度结构形成、微波背景辐射等，都与观察到的质量不符。

这样就产生了一个暗物质存在的假设，只有把这个假设加进去，天体运行现象才能够得到一个较为完美的解释。

经过测算，暗物质占有宇宙全部物质总质量的85%，也就是在宇宙物质质量中，看得见的物质只占有15%，看不见的物质占有85%。

但如果按宇宙总质能计算，可见物质和暗物质加起来的总量只占31.7%，暗能量占有了绝大多数。其中可见物质只占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%。

暗物质和暗能量之所以很神秘，是人们无法窥探其真面目。因为它们不会吸收、反射、辐射光，而人类的视觉是靠光来激发的，光本身又是电磁波的载体，因此对于暗物质和暗能量人类目前的技术，既无法直接观察到，也无法用任何射电射线望远镜侦测到。

但种种迹象都证明了这种神秘的玩意存在着，并左右着宇宙天体运行。暗物质构成了宇宙的框架，宇宙的所有星系天体都在这个框架之中，如果没有这个框架，宇宙将变得一盘散沙。

因此，暗物质从理论上来说，应该是我们宇宙存在的某种物质，但不是人类目前已知的任何物质或者粒子。

如果用一句话来 通俗的 形容暗物质，时空通讯认为可以这样表述：暗物质是一种看不见摸不着，但能够感知、无处不在，是冥冥之中左右着宇宙运行的神奇物质。

随着量子计算机的问世，暗物质暗能量的面纱很可能在不久的将来被揭开。

就是这样，欢迎讨论。

时空通讯专注于老百姓通俗的科学话题，感谢朋友们一直以来的理解支持与合作。

暗物质就是黑洞。依据其形成过程不同分为先天黑洞和后天黑洞。

后天黑洞就是大家熟知的爱因斯坦预言的引力塌陷黑洞。先天黑洞就是老子描述的混成之物，先于土地而生，可以为土地母。

从宇宙起源角度看，了解先天黑洞的形成更有意义，这里简单一句话概述为：中微子在宇宙空洞的冷极（-273.15C ）中会结冰形成中微子冰，这些冰经过一个聚集过程，当聚集物质量达到霍金临界质量后，就形成老子说的混成之物，或叫黑洞，或叫玄牝。

以上描述说明宇宙是冷极起源的，热起源宇宙大爆炸说不符合任何物理学定律。

这个故事隐藏在中国 古文明的两幅无字天书之中，由应符号太极 传递到现在。

暗能量和暗物质，物质构成了三位一体的宇宙。暗能量和暗物质是宇宙的“灵魂”，驱动，规范着物质运动。暗物质是有“形质”的，看不见只相对于我们四维空间的生命。在没有物质的其他维度空间，暗物质的“能量体”是可见的。而暗能量是不可见的，无论在哪个维度空间都是这样的。

“暗物质”这个名字常常误导我们，有些人认为它就是物质，以粒子的形式存在。其实，暗物质并非物质，而是非物质性能量，没有物质的属性。暗能量同样属于非物质性能量，和暗物质在星系空间内形成对立，平衡，统一。是属性相反的两种非物质性能量。相互依存，相互作用，相互克制，密不可分。暗能量为“阴”，不可见，暗物质为“阳”，可见。因为我们所处的维度，造成了相对的不可见。在宏观上，暗物质可以作为视觉背景。如星系“晕”，就是暗物质的包裹形成的。

暗物质在星系内和暗能量构成了暗物质空间。星系外没有暗物质，除了连接星系的“丝状物”。因此星系内外的空间性质截然不同。

星系内暗物质主导空间，称为暗物质空间。星体不但有暗物质的包裹，还在形成后形成了自己巨大的暗物质“盘”。这个旋转的“盘”，就是暗物质空间，也可以理解为暗物质体。密度大于外面的暗物质空间。如果我们能看到暗物质，每个星体都是一个“飞碟”。暗物质“盘”驱动星体自转，星体本身不能自转也不能公转。星体运动是被动式运动，也就是说它们都是在一种看不见的“能量”作用下运动。而这个“力”不是“引力”，和“引力”两回事。暗物质空间的旋转造成了星体公转和自转。

对于我们，暗物质和暗能量是看不见的。所以我们通过观察是无法辨别空间的不同之处，岂知？空间如大洋深处，错综复杂，暗流涌动。大空间中有小空间，大漩涡中有小漩涡，环环相扣。

暗能量，暗物质，物质都有质量，而且都被计算在宇宙总质量当中。

总而言之，暗物质以两种形式存在。一种是以空间的形式存在，另一种是以能量体的形式存在。星体是物质和暗物质的完美组合，形成了一个完整的一体化结构，是波粒二象性在宏观上的进一步延伸。人也是如此，是三位一体的构成。是非物质结构和物质结构的组成。这个非物质结构就是暗能量和暗物质。人的体内有暗能量的“流淌”，而动物没有。这也是人和动物的最大区别。暗能量在人体内表现为正能量，暗物质表现为负能量。动物没有暗能量因而低人一等。它由暗物质和物质组成，暗物质是负能量在动物的身上可以看出，自私，贪婪，嫉妒，……，表现出本能意识。动物是二位一体的构成，也是有形和无形的组合。虽然和我们同处在四维空间，但动物不是四维生命，因为没有暗能量是更低一级的五维生命。在四维空间有更低维度的生命，如五维，六维，七维的生命，和我们同处一个空间。但是再没有低于四维的空间，也就是说，再没有五维空间，六维空间……。我说的维度空间和你们所理解的和现在数学意义上的维度空间是完全相反的。

暗物质的存在毋庸置疑，会被人类进一步认识，破解。人类科学或许因暗物质，掀起一场新的科学革命，特别是天文领域，将会颠覆许多现有认知。暗物质原理会以全新的理念阐述宇宙的奥秘。