每秒有多少暗物质穿过人的身体?

宇宙中尽管有数不清的行星、恒星、气体、尘埃、星系,以及我们在其中发现的更多物质,但宇宙的构成超乎我们的想象。在最大的宇宙尺度上,我们在所有地方都同样发现:没有足够的物质来解释我们观察到的引力效应。物质聚集成一个宇宙网,星系群伴随着内部快速移动的星系而变得巨大,单个星系以巨大的速度旋转,一直到它们的边缘都保持很大。

如果没有五倍于重子物质(由质子、中子和电子构成)的其他物质存在,这一切都是不可能的,这种神秘的物质被称为暗物质。然而,如果暗物质是真实的,那就意味着我们的银河系也有暗物质晕,其中一些暗物质经过了太阳系、地球甚至是地球上的每个人。

宇宙年轻时,一切都比现在更热、更密集、更均匀。在早期,有一些稍微异常密度的地区,那里的物质含量比平均水平要高。引力优先吸引更多的物质到像这样的区域,但是辐射会把物质推回去。

如果我们所拥有的只是正常物质和它的组成粒子来伴随这种辐射,那么今天存在的星系和星系团将会与我们所观察到的完全不同。但是如果暗物质与正常物质的比例是5:1,那么理论上,我们可以复制宇宙结构网来匹配我们的观测结果。

暗物质存在的一个后果是,它暗示了宇宙中形成的每一个大型结构,比如一个星系,都会有一个巨大的、弥散的暗物质晕围绕着它。在每个星系的内层,正常(基于原子)物质会聚集在那里,因为正常物质会与自身和辐射碰撞及相互作用。但是暗物质仅仅只是穿过了一切:它本身、普通物质、光子等等。

只有在引力相互作用下,暗物质粒子才没有办法失去它们开始时的巨大动量。在宇宙的130多亿年的历史中,每一个暗物质粒子到现在为止可能只穿过银河系中心十几次。

在最大尺度上,暗物质主宰着宇宙。但是我们现在离银河系中心只有2.6万光年,正常物质局部比暗物质更丰富。人类的密度与水的密度相当:每立方米1000千克(kg/m^3)。那暗物质的密度呢?

即使是基于我们能编造的最真实的模拟,我们所处地区的暗物质的局部密度要小很多倍:大约10^-21 kg/m^3。如果把地球上所有人类体内的暗物质都加起来,它也不会超过一纳克(10亿分之一克)。

如果把从太阳到海王星轨道中的所有太阳系暗物质加起来,总计只有大约10^17 kg,是一个略大的小行星的质量。然而,因为它没有正常物质所进行的碰撞相互作用,它不会随太阳系移动。它不会绕太阳转;不会在银河系中心随太阳或其他恒星移动;不会待在一个平面;不会绕银河系的圆盘旋转。换句话说,这种物质在引力的影响下,以相对地球非常快的速度移动。

如果想知道在给定的时间内,有多少暗物质穿过人体,只要把四个数字相乘即可,分别是暗物质的密度,暗物质可以击中的一个人的表面积,暗物质的速度,要了解的时间段。

通常一个人的表面积是1.7平方米。由于暗物质以随机的角度出现,经过计算估计,暗物质接触到的大约是0.6平方米。

我们的太阳系以200 km/s的速度围绕着银河系中心运行,但是加入暗物质后运动速度应该相对较快:接近350 km/s。总之,这意味着暗物质相对于地球上的人类来说,移动速度大约是400 km/s。而且我们可以计算任何想了解的时间段,每一秒,一年,或普通人的一生(100年)。

虽然在任何时刻,人体内只有10^-22kg的暗物质,但更大的数量持续不断地经过人体。每秒,每个人会经历2.5 ×10^-16kg的暗物质穿过身体;每年,大约10^-8kg的暗物质穿过人体;在人的一生中,总共有大约1毫克的暗物质穿过身体。

事实上,这些数字不仅让我们了解到一些关于我们身体和身体内的东西,还教会我们如何梦想着寻找暗物质。无论暗物质是由极低质量还是极高质量的粒子组成的,我们都知道暗物质穿过一个人和任何一个给定体积的探测器的质量。如果我们假定知道暗物质的质量,那我们可以计算出穿过任何物体的暗物质粒子数。

几十年来,物理学家一直在建造更大、更灵敏的暗物质探测器,试图探测暗物质和正常物质之间可能存在的微小的相互作用。当今最先进的探测器使用的是具有极大质量核子的原子,来寻找反冲或其他相互作用的迹象。到目前为止,所有的直接检测技术都毫无成果。

据我们所知,暗物质存在于各个方向上。它可能是我们肉眼看不见的,但我们能感受到它的引力。它穿过了宇宙中所有的物质,包括人类,就像它根本就不存在一样。它除了影响弯曲时空外,不会产生任何碰撞或相互作用,它不会成堆、聚集或形成像暗原子、暗分子这样的结构。

然而,如果暗物质哪怕有与正常物质或辐射发生碰撞的最微小迹象,我们就能探测到它。在人的一生中,大约一毫克的暗物质会穿过身体。如果有一个暗物质粒子与人体内一个质子或电子相互作用,我们就有机会探测到它。