物质由什么组成 我们的宇宙最有可能是由什么“物质”什么构成的？

如果外星人试图从另一个平行宇宙访问我们的宇宙，他可能甚至不会注意到我们的存在。

从某种意义上来说，这是显而易见的:宇宙太大了，地球只是一个微小的、淡蓝色的点。但比这更糟糕的是，外星人可能会无视所有围绕恒星运行的恒星和行星，甚至可能对那些飘得太远的巨大尘埃云视而不见空。

然而，所有这些熟悉的东西只占宇宙物质的一小部分。宇宙的其余部分是由其他一些“东西”组成的，这些东西以前从未见过。

物理学家称这种“东西”为暗物质。如果宇宙中没有暗物质，宇宙中的星系就会飞走。没有人知道暗物质是什么，但物理学家渴望追踪它。

你在周围看到的一切——从你的身体到你站立的星球和天空中的星星空——都是由原子组成的。所有这些原子都是由更小的粒子组成的，如质子和中子，这些粒子中的许多可以进一步分解。

兹维奇是个疯狂的理论家。他把能观察到的力都加起来，但还是不足以解释事实。

20世纪初，当物理学家开始了解原子的组成时，我们似乎就要了解宇宙中所有物质的本质了。但是在1933年，一位名叫弗里茨·兹维基的瑞士天文学家提出，宇宙的绝大部分一定是由完全不同的东西组成的。他把他能在星系团中观察到的所有物质的质量加起来，发现这些质量产生的引力强度不足以将星系聚集在一起。

“与此同时，Zwicky观测到的星系正在‘转得太快’，以至于以如此快的速度，它们应该已经把自己抛出去了，分布在宇宙的各个角落。”英国达勒姆大学的理查德梅西说:“宇宙中的每个星系就像一个旋转木马，上面的乘客都会被扔出去！”

Zwicky意识到宇宙中一定还有其他物质，是他无法直接观察到的，但有足够强大的引力把星系聚在一起的东西。他把这种未知的物质形式称为“暗物质”。

当时他被认为是怪人，他的理论没有受到重视。直到20世纪70年代，天文学家薇拉·鲁宾发现我们附近星系的旋转有问题。

这些星系中一定有什么东西在起作用，阻止恒星飞离星系。

在我们的太阳系里，有一个简单的规律:行星离太阳越远，太阳引力对它的影响就越弱。所以这个星球会运行的比较慢，旋转一次需要的时间比较长。同样的规则也应该适用于围绕星系中心运行的恒星:随着引力减弱，离星系中心最远的恒星也应该以最慢的速度运动。

但是，鲁宾发现，离星系中心最远的那颗星，运行速度和靠近星系中心的那颗星一样快。鲁宾认为，一定有什么东西在这些星系中起作用，从而阻止这些恒星飞离星系。归根结底，也就是说，Zwicky走在了正确的道路上。

根据我们目前对宇宙的理解，天文学家认为暗物质在宇宙的形成中起了根本性的作用。

几乎从140亿年前BIGBANG之后的那一刻起，宇宙开始迅速膨胀，开始形成星系团。但是宇宙膨胀的速度并没有快到所有星系都飞到宇宙的角落。这是因为，暗物质虽然看不见摸不着，但是它把宇宙中的一切都集合到了一起。

从某种意义上说，暗物质就像风一样。我们不能直接看到它，但我们知道它在那里。更重要的是，宇宙中有大量的暗物质:约占整个宇宙的25%。有时人们说宇宙中所有物质的80%左右是暗物质。那是因为宇宙中只有30%是由物质构成的，其余都是能量。20世纪80年代，第一个暗物质存在的确凿证据出现了。

暗物质是骨架，普通物质挂在暗物质的骨架上。

1981年，在哈佛大学，由马克·戴维斯领导的团队进行了最早的星系调查。他们意识到星系不是以统一的模式排列的，“它们不是像蛋糕表面的糖衣一样均匀分布的”。

事实上，星系聚集成大星系团，每个星系团包含数十万个星系。这些星团形成了一个复杂的图案，叫做“宇宙网络”。这个网络被暗物质捆绑在一起。

“换句话说，暗物质是骨架，而普通物质挂在暗物质的骨架上。”剑桥大学的卡罗琳·克劳福德说:“我们知道暗物质存在于宇宙的早期。将这些材料放在一起至关重要。只有这样，宇宙才能继续发展，成为我们今天看到的结构。”

英国达勒姆大学的卡洛斯·弗朗哥说:“这些星团的发现引起了轰动。”他当时的老板戴维斯给了他一个具有挑战性的任务:找出星系为什么是这样排列的。

有这种炽热暗物质的宇宙与真实宇宙完全不同。

弗兰克开始这项研究时，发现有人声称解决了这个问题。1980年，由V.A .卢比莫夫领导的俄罗斯研究小组提出了一个关于暗物质的可能解释，认为暗物质是由中微子组成的。

这是有些道理的。中微子是黑暗的幽灵粒子，几乎不与其他物质相互作用。研究人员认为，所有中微子的质量可能是宇宙中缺失的质量。

但是这里有个问题。中微子是热暗物质，也就是说它们是轻的，所以可以快速运动。当弗兰克试图模拟一个充满炽热暗物质的宇宙时，他发现它根本不起作用。

“令我们失望的是，我们发现含有这种炽热暗物质的宇宙与真实宇宙完全不同。”弗兰克说:“有热暗物质的宇宙是相当完美的，但它不是我们生活的宇宙。在那个宇宙中，应该有一个巨大的超级星系团，但这种情况在我们的宇宙中是不存在的。”

暗物质一定是“冷”的，运动缓慢。下一步是找出这个冷暗物质在哪里。

虽然我们不能直接看到它，但是暗物质做的一件事就会暴露自己。它弯曲穿过它的光线。这与光线穿过游泳池或结霜的浴室窗户时发生的情况类似。

这种效应叫做引力透镜效应，可以用来计算暗物质在哪里。利用这项技术，科学家们正在创建宇宙的暗物质地图。

当然，目前的地图太粗糙，无法显示任何细节。在美国航空公司空 NASA加州理工学院的喷气推进实验室里，加里·普劳说:“就像说你已经对地球上的大陆有了基本的了解，现在真正感兴趣的是这些大陆上的山脉和湖泊的形状。”

然而，我们至少对暗物质在哪里有一个大致的了解。然而，我们仍然不知道暗物质是什么。

对此，人们提出了几种观点，其中最流行的一种是暗物质是由一种新的粒子组成的，这种粒子可以用理论预测，但从未被观测到。他们称之为“弱相互作用的大质量粒子”。

WIMP只是一个标签，它可能包含许多不同种类的粒子。

“对于我们生活的这个世界来说，软骨头在各方面的作用都很弱。”诺丁汉大学的安妮·格林说:“首先，它们不会相互作用，更不会与普通物质相互作用。当你撞到墙上时，你的手会撞到墙上。但是当一个软骨头和一面墙或者另一个软骨头相撞时，它通常会直接穿过对方。虽然它们的尺寸不一定大，但WIMP质量很大，很可能是质子质量的几百到几千倍。”

问题是我们不知道它到底有多重。

"弱粒子只是一个标签，它可能包含许多不同种类的粒子."梅西说:“更糟糕的是，他们来去无踪，极难察觉。”

这时你可能会失望，你已经开始放下武器准备投降了。“起初，他们认定这种看不见摸不着的物质在宇宙中到处都存在，但现在，他们认定这种物质是由某种无法探测到的新物质构成的！这简直可笑！”你不是第一个这么说的人。

任何一个想创造新引力理论的人，一定比爱因斯坦强。

早在1983年，就有物理学家已经提出所谓暗物质根本不存在。相反，他们认为万有引力定律一定是错的，这就是星系行为如此怪异的原因。这种观点被称为“修正牛顿动力学”，英文缩写为MOND。

“我们正在解读宇宙中的‘旋转木马’。”梅西说:“在我们知道引力是如何工作的前提下，仔细观察这些‘旋转木马’的运动规律。可能我们曲解了万有引力定律，曲解了证据。”

问题是MOND的支持者还没有想出暗物质的切实可行的替代方案，他们的观点无法解释已知的观测数据。“任何想创造新的引力理论的人，一定比爱因斯坦强。他必须能够解释爱因斯坦解释过的所有现象，解释暗物质。”

早在2006年，美国航空公司空 NASA就发布了一张宏伟的图片。对于很多研究者来说，这张图片的发布完全宣告了MOND的失败。

这是一张显示两个巨大星系团碰撞场景的图像。既然大部分物质明显集中在中心区域，我们可以推测是重力最集中的区域。

有三种方法可以发现暗物质

但是在它的边缘区域，光线也在重力的作用下弯曲。这意味着那里有另一种形式的物质。

如果这是正确的，那么我们回到问题开始的地方。我们的挑战是在不知道我们在寻找什么的情况下找到暗物质。

这听起来比大海捞针还要糟糕，但事实上，有三种方法可以发现暗物质。

第一种方法是观察宇宙中暗物质的活动。利用现有的宇宙暗物质地图来监测其行为，天文学家可能能够检测到意外的暗物质碰撞。

暗物质通常直接穿过正常物质，它们之间没有任何相互作用。然而，由于它们的数量巨大，暗物质在非常偶然的情况下会“踢”原子，导致它们像台球一样反冲。这次碰撞应该会产生伽马射线——能量极高的射线。"在这种极其罕见的情况下，暗物质也能发光."弗兰克说。

格林说，他们已经进行了一些探测实验，正在努力寻找这样的核反冲事件。

2014年，利用美国宇航局强大的费米空望远镜获得的数据，研究人员声称他们检测到了这种撞击事件产生的伽马射线。他们发现银河系的某个区域似乎有伽马射线爆发，其来源可能是暗物质。

爆发模式与理论模型一致，但科学家仍然困惑它们是否真的源于暗物质，因为脉冲星或恒星在死亡时也会产生相同的伽马射线。

暗物质偶尔会相互碰撞，也有观测的方法。

梅西所在的团正在监测一些最近发生过剧烈碰撞的星系。他们预计这些星系中的所有暗物质将直接穿过彼此。出乎意料的是，一些暗物质似乎已经减速，落在了它们的星系后面。

这个现象说明这些暗物质是相互作用的。“如果是这样，那么这将是我们获得的第一个证据，证明暗物质与外界有如此微小的相互作用。”梅西说。

但以上两种方法都有一个重大缺陷:你无法捕捉到星系大小的暗物质云，并在显微镜下仔细观察。它们太大，离我们太远。

因此，第二种探测暗物质的方法可能是创造暗物质。

即使大型强子对撞机确实产生了一些暗物质，探测器实际上也未必能探测到。

物理学家希望使用强子对撞机，比如瑞士日内瓦的大型强子对撞机，可以做到这一点。

大型强子对撞机可以使质子以接近光速的速度相互碰撞。这种碰撞产生的能量将足够强大，足以将质子打碎并分裂成质子成分。因此，利用大型强子对撞机，我们可以研究这些亚原子碎片。

伦敦大学国王学院的马尔科姆·费尔贝恩(Malcolm fairbairn)说，在如此强大的碰撞中，可能会发现一些新粒子，如弱能粒子(WIMP)。

他说:“如果暗物质确实是由WIMP组成的，而我们在大型强子对撞机中发现了这个粒子，那么我们大概就知道宇宙中的暗物质是由什么组成的了。”

但如果暗物质不像理论上预测的WIMP那样，大型强子对撞机就无法探测到。

在这里，还有一个问题:即使大型强子对撞机确实产生了一些暗物质，但实际上探测器未必能探测到。

“实际情况可能是这样的:系统发现一组粒子朝一个方向运动，而没有朝另一个方向运动。”费尔贝恩说，“发生这种情况的可能性只有一个，那就是向另一个方向移动是探测器探测不到的，很可能是暗物质粒子。”

如果这个方法也失败了，物理学家还有第三个选择:深入地下。

在一些古老的废弃矿山和深山里，科学家们正在等待着有一天，WIMP与普通物质发生碰撞，就像费米空望远镜在Tai 空深度观测到的那种碰撞一样。

每秒钟，数十亿个暗物质粒子穿过我们的身体。"它们在你的办公室，你的房间，任何地方."弗兰克说:“每秒钟有数十亿个暗物质粒子穿过你的身体，但你却没有意识到。”

理论上，我们应该能够监测这些撞击产生的伽马射线闪光。但问题是还有很多其他的东西通过你的身体，包括宇宙射线，会淹没暗物质粒子产生的信号。

所以人们想到了地下实验，利用厚厚的岩层阻挡大部分宇宙射线，因为暗物质粒子可以穿过岩层。

但到目前为止，我们还没有找到令人信服的信号。意大利格兰萨索国家实验室的XENON100探测器还是一无是处。

之前有过几次误报。几年前，一个研究小组声称他们的暗物质实验已经探测到了暗物质，但大多数物理学家认为他们发现的不是WIMP。

这是一个耻辱的专栏，总是提醒我们要真正理解我们的宇宙还有多远。

“最后，我们必须用不止一种方法来观察暗物质。只有这样，我们才能确认实验室观察到的粒子和星系中的暗物质是一样的。”费尔贝恩说。

目前我们对宇宙的大部分还一无所知，也不知道这种情况会持续多久。

包括弗兰克在内的一些宇宙学家相信，我们可以在未来10年内找到答案。而其他宇宙学家，如格林，似乎对此缺乏信心。她认为，如果大型强子对撞机在不久的将来找不到东西，可能意味着我们在往错误的方向看。

现在，Zwicky第一次提出暗物质的存在已经有80多年了。我们仍然没有暗物质的样本，我们甚至不能知道它们是什么。这是一个耻辱的专栏，总是提醒我们要真正理解我们的宇宙还有多远。我们可能知道各种各样的事情，从宇宙的开始到地球上生命的进化。但是我们宇宙的秘密仍然需要被揭示。