什么是暗物质(什么是暗物质｜Nature自然科研)

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原文以What Is Dark Matter为标题
发布在2018年5月9日的《自然》INNOVATIONS IN上
原文作者：Lisa Randall
这种难以捉摸的物质弥漫于整个宇宙之中，并造成了许多可被探测的引力效应，其本体却总是避开了直接的探测。
物理学家和天文学家们认为大多数宇宙中的物质都属于“暗物质”——与我们熟悉的常见物质不同，我们并非从暗物质的电磁效应，而是从其造成的引力效应确认它们的存在。
暗物质的概念属于物理学中最简单的概念之一，然而从普通人类的视角出发，暗物质看起来又是神秘莫测的。我们每一个人都拥有五感，而所有这五感都源自某种电磁相互作用。
譬如说视觉，就是基于我们对光的敏感——所谓的可见光本质上就是属于特定频率范围内的电磁波。我们能够看见常见的物质，就是通过感受构成这些物质的原子所发出或者吸收的可见光。归根结底来说，原子中的电子和质子所携带的电荷就是我们能够看见事物的原因。
Chris Gash
然而物质并不一定要由原子构成。大多数物质可以由与原子完全不同的东西构成。能够像普通物质那样与引力相互作用的任何东西——比如说，能像普通物质那样聚拢成星系与星系团——都属于物质。
没有任何规律要求物质总是由带电粒子组成。但对我们的眼睛而言，不参与电磁相互作用的物质就是隐形的。所谓的暗物质完全不带（或者只是带一点极不显著的）电磁荷。无论是用肉眼还是用敏感的光学仪器，都没有人直接观测到暗物质。
然而由于其林林总总的引力效应，我们依然相信暗物质就在那里。这些引力效应包括暗物质对于我们银河系内恒星的影响（这些恒星的公转速度是如此之快，以至于单靠常规物质的引力是无法聚拢它们的）；对于星系在星系群中的影响（同样单靠可见物质的引力无法解释星系如此之快的运动速度）；对于从宇宙之初的大爆炸遗留至今的微波背景辐射的影响；对于从超新星爆发抛射出的可见物质抛射轨迹的影响；对于被称为引力透镜的宇宙中光线弯曲现象的影响；以及导致在合并的星系团中可见物质和不可见物质相互分隔开来的现象。
或许暗物质存在的最显著的标志，恰恰就是我们人类的存在本身。尽管不可见，暗物质对于我们宇宙的演化，以及恒星、行星乃至生命的产生都是极其关键的。这是因为暗物质携带五倍于常规物质的质量，与此同时，暗物质不直接与光产生相互作用。这两种性质是决定类似星系这样的天体结构能够在我们所知的典型的星系寿命时间跨度这一较短的时间之内形成的关键。
暗物质的性质对于像我们所在的银河这样大小的星系的形成尤为关键。如果没有暗物质，电磁辐射将会在过长的时间内阻止星系结构聚拢，从本质上清除了星系结构形成的可能性，并会把宇宙维持在平坦且均匀一致的状态。正是因为暗物质的存在，对于我们的生命和太阳系而言所必须的银河系才能在从宇宙大爆炸至今的时间内及时形成。
有些人一开始可能会对暗物质这一概念无所适从。毕竟，如果一个东西我们看不见，怎么能判断它的存在呢？要知道，自从哥白尼提出日心说以来，人类就应当放下以自我为中心的偏执，勇于承认他们并非天之骄子。
但是这一事实放在新的语境之下还是会让很多人感到疑惑和意外。实际上，我们能看见的那些物质没有理由是物质的唯一存在形式。而暗物质的存在性是应该能够被预见的，并且它和我们所知的任何其它事情是不矛盾的。
也许这一困惑应该部分归因于“暗物质”这个名字。暗物质其实应该更适合叫做“透明物质”，因为光可以穿透它，就像我们常见的透明物质一样。
但是，透光只是暗物质的表面现象。物理学家和天文学家们想要更深刻地了解到底什么是暗物质。他们想要知道以下问题的答案：它是否由一种新的基本粒子构成，亦或者它是否可能包含一些看不见但是致密的成分，比如黑洞？如果它是由基本粒子构成，那么除了引力之外，它和其他类似的物质是否有相互作用（即便很微弱）？这种粒子是否有一些我们不可见的自相互作用？这样的粒子可能会不止一种吗？这些不同种类的暗物质粒子之间有可能有相互作用吗？
对于以上的问题，我和做理论研究的同事们考虑过一些有趣的可能性。但是最终只有借助进一步的观测结果才能让我们揭开暗物质的真实面目，预计这些观测结果可能包括关于暗物质引力效应更加细节的测量数据。
当然，如果我们很幸运并且暗物质确实和普通物质有一些我们尚未探测到的微弱非引力相互作用，那么大型地下探测器，深空卫星或者位于日内瓦隶属于欧洲核子研究委员会（CERN）的大型强子对撞机（LHC）可能会在未来真正探测到暗物质粒子。
即便暗物质和普通物质没有这样的相互作用，暗物质的自相互作用也可能会有一些可观测的效应。比如说，暗物质自相互作用导致的星系中心物质的移动可能会造成星系的小尺度内部结构发生改变。
类似于银河系这样密实的天体结构，比如夜晚天空中的发光气体云或者恒星，也许可以给出一种或者多种不同暗物质粒子之间相互作用的证据。甚至暗物质可能就是一种假想的叫做“轴子”的粒子，它可以和磁场相互作用，并且有望在实验室和太空中被观测到。
无论对于理论、观测还是实验来说，暗物质都是一个很有前景的研究课题。我们知道它存在，但是我们还不知道它的基本性质。
我们到目前为止还不了解暗物质的原因可能就在于，它和自己还有其他物质的相互作用太弱以至于我们还观察不到它。对此，我们人类也只能寄希望于普通物质确实能够感知到暗物质的存在。而研究人员则很愿意去发现暗物质可能具有的更多有趣的性质，在研究过程中更加完整地解决这一奇妙的谜题。?
Nature|doi:10.1038/d41586-018-05096-y
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