今天我们聊聊暗物质。暗物质和暗能量，虽然他俩名字差不多，但是本质上却千差万别，这点首先要区分开，暗能量是用来解释宇宙加速膨胀的斥力，并且我们猜想它应该以能量的形式体现，所以这就比较抽象。但是咱们接下来要说的暗物质，它就会相对来说比较好理解一点儿。但是相对来说，因为暗物质存在的证据足够多，而且这个证据基本确凿。我们先来说人们是如何引入暗物质的概念的，以及为什么要引入暗物质呢？先说证据，后面咱们再谈人们寻找暗物质的过程和现在的进展，这件事其实要比暗能量早很多。
最早的想法要追溯到年，当时的天文学家在测量银河系的大小，以及猜测银河系的样子。有这么一位来自荷兰的天文学家，叫做“奥尔特”，奥尔特云就是根据这位命名的。因为他最早提出了一个猜想，说彗星可能起源于距离太阳两光年左右的一片彗星云，后来这片彗星云就被称作是奥尔特云了，他也是最早发现银河系悬臂结构的人。在年他通过测量到银心不同距离的恒星的速度，发现了一个比较奇怪的事儿，用现在的话说就是银河系的这个旋转曲线不正常。
所谓旋转曲线这个函数图像，它其实很简单，横坐标就代表到银心的距离，纵坐标就代表天体的运行速度。那这条曲线告诉了我们什么呢？实际观测的这个曲线告诉我们，距离银心越远的天体，它的旋转速度就越大。而且，在近距离处有一个急速的增长，之后逐渐的就趋于平稳了。那为什么说出现问题了呢？因为牛顿告诉我们他不应该长这样，我们以太阳系为例，根据开普勒定律和牛顿运动定律，我们很容易得到行星绕日的公转速度与半径之间的关系，我们回想一下向心力公式，速度的平方应该是与距离成反比，那么这个函数的图像应该是什么样的呢？是接近于反比例函数的一个图像。
也就是说距离太阳越近的行星，其公转速度就应该越快，越远的行星公转速度就应该越慢。那太阳系真实的旋转曲线，是不是咱们刚才说的这样呢？是的，如果我们把太阳系所有的行星，按照速度和距离的关系去做一张旋转曲线，那它就是会和开普勒、牛顿告诉我们的理论结果完全拟合。水星它确实是最快的，海王星确实是最慢的。我们再看一眼银河系的旋转曲线，发现不对了吗？它不但没有下降，但反而是上升了，在距离银心比较近的这一段，急速上升的过程我们倒是可以解释，转速随着距离增加的模型其实也很常见，其实就是一个圆盘，这个圆盘上它距离中心越远的点，速度就越快。这就和我们旋转一根木棒是一样的，这种旋转其实叫做刚性旋转。
那既然距离银心比较近的地方，它出现了刚性旋转的特点，我们就可以利用刚性来解释问题，也就是说银心是个大黑洞引力大，所以天体要多往中间去，这就导致银心附近的密度比较大，一段距离内它就是近似的刚性圆盘，这些个点的旋转速度就是随着距离增加的。可是离银心比较远的地方，它密度也不够大，那就应该说符合这个太阳系的结果了，也就是说随着距离的增加，转速它应该是降下来的。所以我们在理论上预言的银河系的旋转曲线，就是先急速增加，然后随着距离再下降，问题就出现在这后半段，真实情况是它没降下来，而且差不多稳定住了。
咱们说一个这个具体的例子，我们太阳系距离银心是二点六万光年，绕一圈需要二点四亿年左右，太阳系的旋转速度基本上是每秒钟两百四十公里，在围绕着银河系的中心旋转。可是牛顿告诉我们，你不能这么快，为什么呢？因为你要是快了，那就不能形成稳定的远轨道了，速度一快它应该就飞出去了。那整个银河系这么一转，它外围就散架子了，可是银河系并没有散架，这就是问题所在。
对此，人们提出过两种假设，第一种假设牛顿错了，万有引力定律，它很可能就在这个太阳系的尺度内适用，在银河系尺度就不适用。第二种，牛顿没错，那银河系要想保持不散架，而且具有现在的这个实际的旋转曲线，我们太阳系也不被甩出去，那它的真实质量就要比我们预计的要大得多，要大十倍左右，而且应该是一团比银河系大得多的、我们还看不见的物质，把银河系给包围住了。这两套方案在理论上确实都存在可能性，我们不能保证引力理论一定没有问题，所以在早期确实有人在研究修改引力理论，但是现在很少了，因为又有新的证据出现了，奥尔特最早提出了可能在银河系当中，有我们看不见的物质在提供着引力。
年，有一位瑞士的天文学家叫做兹维基，他把视线伸出了银河系，对准了后发座星系团，他又干了一件事儿，就是通过星系团的运动速度等等数据，计算了一下整个星系团它应该具有的质量，也就是动力学质量，然后再观测一下整个的光度，用动力学质量比上光度，这个比值就叫做质光比。质光比有什么用呢？我们可以用它来和太阳的质光比做一个比较，太阳的质光比就是太阳的质量比上太阳的光度。通过比较发现后发座星系团的质光比，要远大于太阳的质光比，那说明了什么呢？说明了后发座星系团的动力学质量要比它的光度质量大。再通俗点说，就是我们看到的这点质量，不足以让它发出这么强烈的光，一定还有我们看不到的质量。所以最早就给这种看不见的物质起了个名，叫暗物质，这就是暗物质的由来。
目前人们观测到的星系，其质光比几乎全部都大于太阳的质光比，而且目前通过测量星系的旋转曲线，人们发现几乎所有的星系，它的旋转曲线都是和银河系差不多的，就是在后半段距离中心越远的位置，它的速度不是降下来的，基本上都是趋于稳定。这就说明如果牛顿理论没问题，那么暗物质就应该是普遍存在的，我们的银河系它并不是一个个例，而且现在越来越多的观测现象表明，牛顿理论应该是没毛病的。
咱们先来说一个最近的，年哈勃空间望远镜发现了一个星系，通过测量这个星系的旋转曲线，人们发现它的旋转曲线和牛顿理论预言的是一样的，就是咱们刚才说的是先上升，后半段降下来了。这就说明这个星系可能不存在，或者很少存在暗物质。直到年四月份，人们又发现一个星系，好像也不存在暗物质，这就大概率证明牛顿理论没毛病，至少人家有能够解释的星系，所以暗物质也越来越被人们重视了。
还有证据，比如说引力透镜，这个很好理解了对吧？引力透镜咱们好像之前也说过，举个例子，比如说我的手是一个大质量天体，光线在经过这个大质量天体的时候，它就会走一个弧线，因为根据广义相对论的预言，大质量天体它是会使时空产生弯曲的，所以看起来就会使光线发生偏折，就像一个透镜一样，如果这个手在正中间，那你们看到的可能就是一个环，这叫做爱因斯坦环，也可能出现了四个像，这叫爱因斯坦十字等等。
问题就是，有的时候我们能够看到远方天体的像出现了一个环了，或者说出现一个十字，但是我们通过计算就会发现中间用来成像的，这个大质量天体或者星系，它往往是质量严重的不足，如果只有我们看到的这点质量，它不足以造成如此强的引力透镜现象，所以严重怀疑存在暗物质。那有了引力透镜之后，咱们就可以来说号称可以证明暗物质存在的证据了。
年由钱德拉x射线卫星拍摄的星系团，叫做子弹星系团，它有两堆蓝色的区域是什么呢？就是咱们刚才说的星系云，就是我们通过一些弱引力透镜效应模拟出来的，它实际的质量分布的一个区域，也就是引力场的分布，而我们看到的这个质量分布，就是图上星星点点的恒星，再加上红色的区域，红色的区域是通过探测x射线给出来的，实际上就是一些炙热的气体。那为什么说这张图是直接证据呢？人们猜测的情况是这样，大概在一亿年前，有两个子星系团发生碰撞，碰撞会发生什么呢？
首先恒星和恒星的碰撞，这个概率是比较低的，因为恒星的分布在整个星系其实是很稀疏的，但是气体云不一样，气体云它就是一坨。所以，这两坨云就发生碰撞了，这就是图中这个红色的区域，但是这两个蓝色的区域好像并没有受什么影响，顺利的就穿插过去了，这点和人们预计的暗物质的特性一模一样。因此人们就怀疑看不见的这个物质很有可能就是暗物质。总之种种现象表明，暗物质应该是真实存在的，可是如果它存在，那暗物质会是什么呢？
咱们先来分析一下特点，第一，它得能够提供引力，因为引入暗物质就是为了解决引力丢失的问题，这点和暗能量就不一样了，就正好相反，也就是说暗物质必须要参加引力作用。第二，看不见，为什么看不见呢？我们有理由猜测，暗物质不参与电磁相互作用，它本身不能发光、也不能反光，对于我们来说完全就是透明的，而且通过刚才这个子弹星系团的例子，这两坨暗物质顺利地穿过去了，云为什么穿不过去呢？这个例子的直接碰撞并不是主要原因，主要原因是摩擦力，摩擦力的本质是电磁力。所以这也就理解了，为什么暗物质云可以零摩擦的穿过彼此，因为他们不参与电磁相互作用。那还有别的特点吗？好像没了。
那么，我们猜测一下这个暗物质粒子可能是什么？有同学肯定好奇，说会不会是黑洞，而且是小黑洞，我们又看不见，质量也足够大。当然不会，因为首先这个原初小黑洞它寿命极短，它还会爆炸，再加上原初小黑洞到现在为止，实际还没有被观测证实。而且如果要是黑洞的话，虽然黑洞本身我们看不见，但是黑洞引起的效应我们可以看见，所以说不会是黑洞。
但是人们还真怀疑过，会不会是相对来说稳定的，然后不发光的、密度还极大的天体，比如说什么中子星、白矮星，于是最早人们就开始寻找，你别说还真就找到了一些，不过那也不够弥补全部丢失的质量，就只能够弥补小小的一部分，所以这些物质也可以被划分为暗物质的范畴。后来人们对暗物质做了一些预言。首先就要把暗物质给它分个类，那怎么分呢？大小、质量啥啥都不知道。
但是有一个属性应该是可以知道，就是运动速度，我们可以通过观测一些现象，来估计一下这些暗物质粒子它的运动速度，如果要是速度接近光速了，就叫做热暗物质。如果速度比较慢，和经典的粒子差不多，那就叫做冷暗物质，介于之间的那就叫做温暗物质。现在的观测数据表明，冷暗物质更受欢迎，也就是说暗物质粒子它的速度会比较慢，像之前有人怀疑过，说中微子可能就是一种暗物质粒子，但是无论中微子它是否具有静质量，它的速度肯定是进光速的，所以基本上就排除了中微子的可能，那如果暗物质的速度比较慢，我们就有理由怀疑它的质量会比较大，但是咱们额外说一句，这个暗物质粒子它可能不是一种，它完全有可能是有很多种，而且说可能是完整的一族，因为我们没有办法去排除这种可能性，根据上述的这个推测，我们就得找冷的、质量还得比较大的粒子。
物理学家还真找到了一类候选粒子，全称叫做弱相互作用大质量粒子，这类粒子完全是理论预言的，而且它是一类粒子，你听名字弱相互作用、大质量粒子，就表明除了刚才说的它冷、质量大、不参与电磁相互作用的这些特点，应该会参与弱相互作用。为什么要这么猜测呢？因为如果有这个物质粒子，那么它们应该在宇宙早期就存在了，它不能凭空的创造出来，那他们的诞生和湮灭就属于是弱相互作用了。现在的研究结果是，如果这个宇宙早期不存在暗物质，就只有这个普通物质的话，那么星系、恒星就不会在几亿年的时间里结团演化，现在可能依旧是零零散散的，也就不会有生命了。
正是暗物质最早的时候，它先结合成网状结构，然后再通过这个引力作用引导着普通物质结团，才有了之后的恒星的演化。人们通过数值模拟还发现，如果这个暗物质的速度比较快，那么宇宙的演化就是所谓的自上而下，也就是说它是先有大尺度结构，然后再逐渐形成这个小尺度。如果暗物质是冷的，那么就是自下而上，也就说是先形成小尺度结构，再形成大结构。观测表明，我们宇宙的演化就是自下而上，也就证明这个暗物质它应该是冷的。普通物质就是在由暗物质形成的宇宙之网上，逐渐的汇聚到交叉点，才形成了所谓的星系、恒星，最终形成了一些大尺度的结构，很壮观啊。
除了WIMP粒子，当然还有一些其他的候选者，比如说在理论物理当中有一种假想粒子叫做轴子，这是当初用来解释强相互作用当中不守恒问题的，后来人们就怀疑轴子也可能是暗物质的候选者，但是轴子它不是大质量粒子，恰恰相反它质量相当的小，所以探测起来就会更困难。另外还有人怀疑存在一种惰性中微子，也可能是暗物质粒子的一种，它的质量也特别小，总之只要存在一丝希望，人们就不会放过这个机会。但是目前弱相互作用大质量粒子依旧是最大的热门，所以很多探测计划都是基于WIMP设计的,这其中就包括我国年发射升空的悟空号卫星，包括粒子对撞机等等，就都有这个任务。
关于暗物质的证据咱们就介绍这么多，下次咱们来聊对于看不见、摸不着的暗物质粒子，人们是如何进行探测的呢？有没有什么进展？今天就聊到这儿。
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