暗物质到底是什么?为什么我们感知不到?

暗物质咋来的?

我们已知的物质大概占宇宙总量的5%不到一点,而27%左右是暗物质,剩余的都是暗能量。如果要准确计算一下暗物质和已知物质的比例,暗物质最多也不会超过85%。那这个结果如何得来的呢?这其实就人类发现暗物质的过程有关。

上世纪30年代,科学家在研究星系周围恒星运动时就发现一个问题,他们通过计算,可以大概算出恒星的运动速度。但是这个速度和实际值相差非常多。

这样的情况并不是孤例,相反这个现象十分普遍。我们所在的银河系也是如此。太阳在理论计算中的速度应该是160km/s,而实际却是220km/s。

这会带来什么问题呢?

我们可以来思考一下,假设你有一门大炮,威力是可以任意调节的,纯粹的炮弹没有速度,就会直接掉落在地上,有一点初速的炮弹可能能打出一个抛物线。当初速度非常快时,这个炮弹可以绕着地球转,如果再快一点呢?很有可能这个炮弹就会飞出去,摆脱地球的引力。


那这说明了什么呢?

这说明一个物体绕着另一个物体转,速度越快,就需要越强的引力。而现在我们已知的星系的物质提供的引力不足以拽住星系周围恒星,这说明有其他的东西提供了额外的引力。于是,科学家就假设了存在一种物质提供了额外的引力,这就是暗物质。


于是,我们可以通过理论计算,了解到暗物质所需要提供额外引力的具体值,由此得出暗物质的占比。也就是开头我们所说的比例。

可能你要说,这个不是完全就是凭空假设,总得有个证据。实际上,关于暗物质也确实有一些有力证据证明它的存在。观察暗物质的主要法方式就是利用引力透镜。暗物质是具有引力效应的,而引力的本质在爱因斯坦的广义相对论是时空的弯曲。

因此,根据爱因斯坦的理论,光线通过弯曲的时空时,就会发生偏折,这种偏转很类似于光通过透镜中的折射现象。

所以,通过引力透镜效应是观测暗物质的一个好办法,1980年,科学家在观测类星体Q0957+561时,第一次观测到了引力透镜效应。后来,科学家又陆续发现了很多类似的

比如:观测星系团CL0024+17,就发现了星系团内部被发现存在一个暗物质圈,也就是下图蓝色的部分。

暗物质为什么感知不到?

可能你要问了,那为什么我们看不到暗物质,或者说感受不到暗物质。按照目前对于暗物质的了解,暗物质其实和中微子很像,广泛地存在于宇宙空间中,包围着我们周围,甚至每时每刻都有暗物质穿过我们的身体。

但我们却感知不到,其实这和四大作用力有关。在自然界中,存在这四种作用,引力,电磁力,强力和弱力。其中强力和弱力是保证原子核的构成。电磁力是保证了原子作为的化学反应的基本单位。在这四种力中,引力最弱,其次弱力。

我们身体中,每秒钟会有10万亿个中微子穿过身体,之所以中微子的穿透力如此强大,就在于它只参与弱力,而且发生反应的概率极其低,为了找到中微子,科学家可是煞费苦心。

而目前对于暗物质的理论研究来看,主流的理论叫做冷暗物质理论。这个理论认为,暗物质不参与强相互作用,电磁相互作用,所以不能用电磁波来进行观测,因此它是暗的;同时因为移动速度特别慢,所以才被称为冷暗物质。

于是,暗物质其实会存在和中微子类似的属性,那就是几乎不和已知的物质发生反应。科学才猜测冷暗物质可能是大质量弱相互作用粒子或者大质量致密晕天体。当然,目前来说,更偏向于前者,因此,科学家也试图通过加速器来找到它,但至今未果。

正是基于暗物质这样的特性,所以,我们才很难能够找到和感受到它的存在。为了排除其他因素的干扰,很多观测物质的装置都置于地下数百米甚至数千米。比如:我们国家的中国锦屏极深地下暗物质实验室。

当然,相信随着科学技术的进步,以及观测手段的提升,我们可能会发现更多关于暗物质的新证据,而且目前冷暗物质的理论也还存在一些问题,相信随着新的证据的出现,关于暗物质的理论也很有可能发生改变。而且,随着暗物质的面纱被揭开,我们的理论物理学可能也会发生一场巨大的变革。