什么是暗物质？05

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第五季第5篇。

--本文内容较长，阅读需5min--

暗物质，顾名思义就是看不见的物质，小时候就听大人讲这个宇宙有很多物质是你看得见的，而有些物质是你看不见的。

后来，我觉得这个说法不对，人类能看到的物质估计连1%都不到，比如磁场、光子等物质都是人类看不见的，而它们却实实在在存在。

真正的解释应该是人类能直接观测的物质和不能直接观测的物质。

而暗物质就是人类不能直接观测的物质，我们先来看看暗物质到底是怎样被提出的。

星系和星系团一直是天文学家最喜欢研究的物质，这就像股民玩股票一样，天天盯着看。但是不观察还好，一观察就发现了很多bug，其中最具有代表性的就是所谓的——物质丢失问题。

我们先看看是怎么一回事吧。

1937年的时候，天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）仔细观察了一个星系团，叫“后发座星系团”。兹威基选择了后发座星系团里的几个星系，测量了这些星系绕着星系团旋转的移动速度。兹威基发现，这些星系的速度都太快了。

中学物理学习的时候我们就知道，所谓向心力，外圈的物质转速越快，需要的向心力就越大。

就好比你手里捏着一个绳子一头，另外一头绑一个橡皮擦一样，转速越快，需要的力就越大。如果转动速度特别快以至于你的手抓不住了，这个绳子就会飞出去。地球绕着太阳转也是这个道理，中心提供的引力越大，能支持的旋转速度就越大。

而星系绕着星系团中心转，也是这个道理。

兹威基估算了后发座星系团内部大概有多少星系，这些星系总共有多大的质量，能提供多大的引力。他发现这个引力根本支撑不了外面星系旋转的速度！那么高的速度，那几个星系都应该被甩出去才对！

兹威基非常相信自己的计算，他据此判断，星系团内部必定还有一些我们看不到的物质，提供了多余的引力。

此后天文学家们陆续考察了别的星系团，结果每个星系团都有这个现象。

到了1976年的时候，一个叫薇拉·鲁宾（Vera Rubin）女天文学家又把目光对准了恒星围绕星系的转动。

首先她注意到，在一个星系的可见部分之中，越往外的恒星，旋转速度就越快。这个是可以理解的，越往外的恒星，它里面的恒星就越多，能提供的引力就越大。

然后鲁宾在星系的最边缘找了几个恒星，结果发现这几个恒星也是越往外速度越快。这就不对了，因为从这里再往外，就已经没有多少恒星给它们提供更多的引力。

不论星系绕着星系团转，还是恒星绕着星系转，转速都比天文学家计算的快得多。

最合理的解释就是可能存在一种物质，不但要提供多余引力，而且必须提供很多很多引力才行 —— 这就是暗物质。

看得出暗物质只是为了解释引力问题！

但是请注意，暗物质只是一个现代人解释引力的模型，至于它存不存在还不知道。

一开始呢，天文学家对暗物质是什么这个问题，只要满足两个条件就有可能是暗物质，一是能提供引力，二是看不见。

满足这些备选条件的其实还挺多的，比如，黑洞就是这样的，还有已经冷却熄灭了的中子星和白矮星，它们已经不能发生核聚变了，原来的热量消耗干净就彻底冷却了，这么远的距离肯定看不见。甚至，中微子也被当做过暗物质的候选，因为中微子也是那种有引力但是看不见的东西。

有这么多候选呢，天文学家心里一点也不慌。可是结果呢？测量了一下宇宙中暗物质的总含量，傻眼了。

整个宇宙中的暗物质总量应该是普通物质的5倍，这代表着什么呢？

如果暗物质是黑洞的话，那黑洞应该到处都是才对。你想想看要是那样的话，和太阳系相邻的黑洞就应该有好几个，这肯定是不可能的。连黑洞密度这么大的东西都不行了，中子星啊、中微子啊那就更不可能了。

这个时候暗物质到底是什么这个问题才成为了一个大难题，直到现在都没有答案，甚至都没有非常靠谱的解决思路。

但是这仍然挡不住天文学家对暗物质这个概念的利用，既然这个概念已经被提出来了，那就不能浪费。

所以暗物质一直都成了天文学家用来解释万物的“借口”。

总结

以前我还真以为有暗物质本身，但现在查阅了相关资料才发现，所谓的暗物质只是一个人类想象的模型，我们至今也不知道，此暗物质的核心到底是什么，也就是它准确的定义。

比如说起黑洞，我们都知道它是质量巨大的天体，因为引力太大，引起时空的弯曲，导致周围的物质被吸入其内，所以称为“黑洞”。

而暗物质这个模型，我们知道的只有2点，第一：看不见；第二：有引力；

好，今天就到这里！

Masir 2022/5/04

祝 愉快~

参考文献 

1、《高爽的天文学课》摘录

2、《给忙碌者的天体物理学课》

3、图片来源于网络