暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質量和距離的函數。
例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，儘管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恆星的軌道速度大致保持不變，這是為什麼？
暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質量和距離的函數。
例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，儘管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恆星的軌道速度大致保持不變，這是為什麼？
與太陽系不同，我們的太陽系質量是由太陽主導，銀河系的質量分佈在數千光年之間。當一個移動到離銀河系中心更遠的地方時，包圍在這個半徑內的恆星和氣體就會增加。這個額外的質量能解釋銀河系中最遙遠恆星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀60年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)測量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬光年。值得注意的是，儘管這一距離遠遠超出了仙女座的大部分恆星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。
暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質量和距離的函數。
例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，儘管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恆星的軌道速度大致保持不變，這是為什麼？
與太陽系不同，我們的太陽系質量是由太陽主導，銀河系的質量分佈在數千光年之間。當一個移動到離銀河系中心更遠的地方時，包圍在這個半徑內的恆星和氣體就會增加。這個額外的質量能解釋銀河系中最遙遠恆星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀60年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)測量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬光年。值得注意的是，儘管這一距離遠遠超出了仙女座的大部分恆星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。
這種現象也不是個別星系所獨有，早在20世紀30年代，瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲維基(Fritz Zwicky)發現，在星系團內運行的星系運動速度遠遠快於預期。到底怎麼回事？一種可能是大量看不見的質量延伸到恆星和氣體之外，這也許就是暗物質。事實上，Zwicky，Rubin和隨後幾代天文學家的研究表明，宇宙中的暗物質比傳統物質更多（至於暗能量，那就完全是另一回事了）。值得注意的是，我們無法看到或探測暗物質提供了關於它如何行為的線索。除了引力之外，暗物質與自身和常規物質之間的相互作用一定很少。
暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質量和距離的函數。
例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，儘管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恆星的軌道速度大致保持不變，這是為什麼？
與太陽系不同，我們的太陽系質量是由太陽主導，銀河系的質量分佈在數千光年之間。當一個移動到離銀河系中心更遠的地方時，包圍在這個半徑內的恆星和氣體就會增加。這個額外的質量能解釋銀河系中最遙遠恆星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀60年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)測量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬光年。值得注意的是，儘管這一距離遠遠超出了仙女座的大部分恆星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。
這種現象也不是個別星系所獨有，早在20世紀30年代，瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲維基(Fritz Zwicky)發現，在星系團內運行的星系運動速度遠遠快於預期。到底怎麼回事？一種可能是大量看不見的質量延伸到恆星和氣體之外，這也許就是暗物質。事實上，Zwicky，Rubin和隨後幾代天文學家的研究表明，宇宙中的暗物質比傳統物質更多（至於暗能量，那就完全是另一回事了）。值得注意的是，我們無法看到或探測暗物質提供了關於它如何行為的線索。除了引力之外，暗物質與自身和常規物質之間的相互作用一定很少。
否則我們就會檢測到它發出光，並與其他粒子相互作用。由於暗物質大多單獨通過引力相互作用，因此它具有一些奇怪的性質。太空中的熱氣雲可以通過發光而失去能量，從而冷卻下來。足夠大質量和足夠冷的氣體雲可以在自身引力下塌縮形成恆星。相比之下，暗物質不會因發光而失去能量。因此，雖然傳統物質可以塌縮成緻密的物體，如恆星和行星，但暗物質仍然更彌散，這解釋了一個明顯的矛盾。雖然暗物質可能主宰著宇宙的質量，但科學家並不認為在我們的太陽系中有太多暗物質。
模擬成功
由於暗物質的運動完全由引力控制，因此，通過解析和模擬來建模也相對容易。自20世紀70年代以來，已經有了暗物質結構數量的公式，這也恰好預測了大質量星系和星系團的數量。此外，模擬可以模擬整個宇宙歷史中結構的形成。暗物質模擬不僅適合數據，它還具有預測能力。有沒有暗物質的替代？科學家利用引力推斷它的存在，但如果對引力的理解是錯誤的呢？也許引力在很遠的距離上比我們想象的更強。
暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質量和距離的函數。
例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，儘管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恆星的軌道速度大致保持不變，這是為什麼？
與太陽系不同，我們的太陽系質量是由太陽主導，銀河系的質量分佈在數千光年之間。當一個移動到離銀河系中心更遠的地方時，包圍在這個半徑內的恆星和氣體就會增加。這個額外的質量能解釋銀河系中最遙遠恆星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀60年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)測量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬光年。值得注意的是，儘管這一距離遠遠超出了仙女座的大部分恆星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。
這種現象也不是個別星系所獨有，早在20世紀30年代，瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲維基(Fritz Zwicky)發現，在星系團內運行的星系運動速度遠遠快於預期。到底怎麼回事？一種可能是大量看不見的質量延伸到恆星和氣體之外，這也許就是暗物質。事實上，Zwicky，Rubin和隨後幾代天文學家的研究表明，宇宙中的暗物質比傳統物質更多（至於暗能量，那就完全是另一回事了）。值得注意的是，我們無法看到或探測暗物質提供了關於它如何行為的線索。除了引力之外，暗物質與自身和常規物質之間的相互作用一定很少。
否則我們就會檢測到它發出光，並與其他粒子相互作用。由於暗物質大多單獨通過引力相互作用，因此它具有一些奇怪的性質。太空中的熱氣雲可以通過發光而失去能量，從而冷卻下來。足夠大質量和足夠冷的氣體雲可以在自身引力下塌縮形成恆星。相比之下，暗物質不會因發光而失去能量。因此，雖然傳統物質可以塌縮成緻密的物體，如恆星和行星，但暗物質仍然更彌散，這解釋了一個明顯的矛盾。雖然暗物質可能主宰著宇宙的質量，但科學家並不認為在我們的太陽系中有太多暗物質。
模擬成功
由於暗物質的運動完全由引力控制，因此，通過解析和模擬來建模也相對容易。自20世紀70年代以來，已經有了暗物質結構數量的公式，這也恰好預測了大質量星系和星系團的數量。此外，模擬可以模擬整個宇宙歷史中結構的形成。暗物質模擬不僅適合數據，它還具有預測能力。有沒有暗物質的替代？科學家利用引力推斷它的存在，但如果對引力的理解是錯誤的呢？也許引力在很遠的距離上比我們想象的更強。
有幾種不同的引力理論，莫爾德海·米爾格羅姆的修正牛頓動力學(Mond)是最著名的例子。如何區分暗物質和修正的引力？在大多數理論中，引力傾向於質量。因此，如果沒有暗物質，引力就會向傳統物質拉動，而如果暗物質占主導地位，那麼引力將主要向暗物質拉動。所以應該很容易分辨出哪個理論是正確的，但不完全是，因為暗物質和常規物質大致上是彼此相隨，但也有一些有用的例外，一起粉碎氣體和暗物質的雲，就會發生一些奇妙的事情。
暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質量和距離的函數。
例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，儘管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恆星的軌道速度大致保持不變，這是為什麼？
與太陽系不同，我們的太陽系質量是由太陽主導，銀河系的質量分佈在數千光年之間。當一個移動到離銀河系中心更遠的地方時，包圍在這個半徑內的恆星和氣體就會增加。這個額外的質量能解釋銀河系中最遙遠恆星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀60年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)測量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬光年。值得注意的是，儘管這一距離遠遠超出了仙女座的大部分恆星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。
這種現象也不是個別星系所獨有，早在20世紀30年代，瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲維基(Fritz Zwicky)發現，在星系團內運行的星系運動速度遠遠快於預期。到底怎麼回事？一種可能是大量看不見的質量延伸到恆星和氣體之外，這也許就是暗物質。事實上，Zwicky，Rubin和隨後幾代天文學家的研究表明，宇宙中的暗物質比傳統物質更多（至於暗能量，那就完全是另一回事了）。值得注意的是，我們無法看到或探測暗物質提供了關於它如何行為的線索。除了引力之外，暗物質與自身和常規物質之間的相互作用一定很少。
否則我們就會檢測到它發出光，並與其他粒子相互作用。由於暗物質大多單獨通過引力相互作用，因此它具有一些奇怪的性質。太空中的熱氣雲可以通過發光而失去能量，從而冷卻下來。足夠大質量和足夠冷的氣體雲可以在自身引力下塌縮形成恆星。相比之下，暗物質不會因發光而失去能量。因此，雖然傳統物質可以塌縮成緻密的物體，如恆星和行星，但暗物質仍然更彌散，這解釋了一個明顯的矛盾。雖然暗物質可能主宰著宇宙的質量，但科學家並不認為在我們的太陽系中有太多暗物質。
模擬成功
由於暗物質的運動完全由引力控制，因此，通過解析和模擬來建模也相對容易。自20世紀70年代以來，已經有了暗物質結構數量的公式，這也恰好預測了大質量星系和星系團的數量。此外，模擬可以模擬整個宇宙歷史中結構的形成。暗物質模擬不僅適合數據，它還具有預測能力。有沒有暗物質的替代？科學家利用引力推斷它的存在，但如果對引力的理解是錯誤的呢？也許引力在很遠的距離上比我們想象的更強。
有幾種不同的引力理論，莫爾德海·米爾格羅姆的修正牛頓動力學(Mond)是最著名的例子。如何區分暗物質和修正的引力？在大多數理論中，引力傾向於質量。因此，如果沒有暗物質，引力就會向傳統物質拉動，而如果暗物質占主導地位，那麼引力將主要向暗物質拉動。所以應該很容易分辨出哪個理論是正確的，但不完全是，因為暗物質和常規物質大致上是彼此相隨，但也有一些有用的例外，一起粉碎氣體和暗物質的雲，就會發生一些奇妙的事情。
氣體碰撞形成一個單一的雲，而暗物質粒子只是在引力的影響下繼續移動，當星系團以極快的速度相互碰撞時，就會發生這種情況。那如何測量碰撞星系團中的引力？引力不僅對質量有這種“拉力”，而且對光也有拉力，所以扭曲的星系圖像可以追蹤力拉力（在相對論中這是扭曲空的結果）。在碰撞的星系團中，引力會拉向暗物質應該在的地方，而不是傳統的物質。
時間的漣漪
不僅可以看到今天暗物質的影響，還可以看到遙遠的過去，就在宇宙大爆炸之前。宇宙微波背景，大爆炸的餘輝，可以從四面八方看到，在這宇宙大爆炸中，可以看到漣漪，時間的漣漪通過電離氣體傳播的結果。這些漣漪是早期宇宙中引力、壓力和溫度相互作用的結果。暗物質有助於引力，但不像常規物質那樣對溫度和壓力做出響應，因此漣漪的強度取決於常規物質與暗物質的比例。正如預期的那樣，衛星和地面天文臺對這些漣漪的測量顯示，宇宙中存在比常規物質更多的暗物質。
暗物質，就其本質而言，是看不見的，用望遠鏡也無法觀察暗物質，粒子物理學家也沒有通過實驗發現暗物質。那麼，為什麼大多數科學家及主流理論都相信並支持宇宙的大部分質量是由暗物質組成，而不是由恆星、行星和我們天空中所有其他可見物體組成的常規物質？要回答這個問題，需要理解暗物質能做什麼，不能做什麼，理解它潛伏在宇宙中的什麼地方，並意識到“暗”只是謎題的開始。
暗物質故事從速度和引力開始，在整個宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運行，就像地球繞著太陽轉一樣，太陽也繞著銀河系的中心轉。將天體保持在軌道上所需速度是質量和距離的函數。
例如，在太陽系中，地球以每秒30公里的速度運行，而最遙遠的行星則以每秒數公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽以每秒230公里的速度運行，儘管距離銀河系中心有26700光年。然而，當我們離銀河系中心更遠時，恆星的軌道速度大致保持不變，這是為什麼？
與太陽系不同，我們的太陽系質量是由太陽主導，銀河系的質量分佈在數千光年之間。當一個移動到離銀河系中心更遠的地方時，包圍在這個半徑內的恆星和氣體就會增加。這個額外的質量能解釋銀河系中最遙遠恆星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀60年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)測量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬光年。值得注意的是，儘管這一距離遠遠超出了仙女座的大部分恆星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。
這種現象也不是個別星系所獨有，早在20世紀30年代，瑞士裔美國天文學家弗裡茨·茲維基(Fritz Zwicky)發現，在星系團內運行的星系運動速度遠遠快於預期。到底怎麼回事？一種可能是大量看不見的質量延伸到恆星和氣體之外，這也許就是暗物質。事實上，Zwicky，Rubin和隨後幾代天文學家的研究表明，宇宙中的暗物質比傳統物質更多（至於暗能量，那就完全是另一回事了）。值得注意的是，我們無法看到或探測暗物質提供了關於它如何行為的線索。除了引力之外，暗物質與自身和常規物質之間的相互作用一定很少。
否則我們就會檢測到它發出光，並與其他粒子相互作用。由於暗物質大多單獨通過引力相互作用，因此它具有一些奇怪的性質。太空中的熱氣雲可以通過發光而失去能量，從而冷卻下來。足夠大質量和足夠冷的氣體雲可以在自身引力下塌縮形成恆星。相比之下，暗物質不會因發光而失去能量。因此，雖然傳統物質可以塌縮成緻密的物體，如恆星和行星，但暗物質仍然更彌散，這解釋了一個明顯的矛盾。雖然暗物質可能主宰著宇宙的質量，但科學家並不認為在我們的太陽系中有太多暗物質。
模擬成功
由於暗物質的運動完全由引力控制，因此，通過解析和模擬來建模也相對容易。自20世紀70年代以來，已經有了暗物質結構數量的公式，這也恰好預測了大質量星系和星系團的數量。此外，模擬可以模擬整個宇宙歷史中結構的形成。暗物質模擬不僅適合數據，它還具有預測能力。有沒有暗物質的替代？科學家利用引力推斷它的存在，但如果對引力的理解是錯誤的呢？也許引力在很遠的距離上比我們想象的更強。
有幾種不同的引力理論，莫爾德海·米爾格羅姆的修正牛頓動力學(Mond)是最著名的例子。如何區分暗物質和修正的引力？在大多數理論中，引力傾向於質量。因此，如果沒有暗物質，引力就會向傳統物質拉動，而如果暗物質占主導地位，那麼引力將主要向暗物質拉動。所以應該很容易分辨出哪個理論是正確的，但不完全是，因為暗物質和常規物質大致上是彼此相隨，但也有一些有用的例外，一起粉碎氣體和暗物質的雲，就會發生一些奇妙的事情。
氣體碰撞形成一個單一的雲，而暗物質粒子只是在引力的影響下繼續移動，當星系團以極快的速度相互碰撞時，就會發生這種情況。那如何測量碰撞星系團中的引力？引力不僅對質量有這種“拉力”，而且對光也有拉力，所以扭曲的星系圖像可以追蹤力拉力（在相對論中這是扭曲空的結果）。在碰撞的星系團中，引力會拉向暗物質應該在的地方，而不是傳統的物質。
時間的漣漪
不僅可以看到今天暗物質的影響，還可以看到遙遠的過去，就在宇宙大爆炸之前。宇宙微波背景，大爆炸的餘輝，可以從四面八方看到，在這宇宙大爆炸中，可以看到漣漪，時間的漣漪通過電離氣體傳播的結果。這些漣漪是早期宇宙中引力、壓力和溫度相互作用的結果。暗物質有助於引力，但不像常規物質那樣對溫度和壓力做出響應，因此漣漪的強度取決於常規物質與暗物質的比例。正如預期的那樣，衛星和地面天文臺對這些漣漪的測量顯示，宇宙中存在比常規物質更多的暗物質。
那有答案了嗎？暗物質肯定是答案嗎？大多數天文學家會說，對於我們在宇宙中看到的許多現象，暗物質是最簡單和最好的解釋。雖然最簡單的暗物質模型存在潛在的問題，例如小型衛星星系的數量，但它們是有趣的問題，而不是引人注目的缺陷。但事實仍然是，還沒有直接探測到暗物質。這並不是特別困擾科學家，因為物理學已經有了粒子的歷史，這些粒子已經花費了幾十年的時間才能直接探測到。如果20年後我們還沒有檢測到暗物質，可能會擔心，但現在的暗物質理論才是真正的最佳答案。