今天有位读者评论了上一篇的内容，提到了“暗能量”，那暗能量我不知道是个啥，要么这篇我们就来聊聊和“暗物质”有关的话题吧，虽然不一样...。PS:因为今天睡觉之前写完了，所以就不分开发了，以至于篇幅有点长，如有写得不好的地方，还请各位大神多多包涵。
话说自古以来，我们人类就对这个世界充满了好奇，对于很多问题，一开始人们并不是出于什么实际的需求才对它产生关注，只是因为纯粹的好奇。你想象一下，有两个原始人教授，他们拿一块大石头去撞击另外一块小石头，可能在他们的语言里就把这个东西叫粒子对撞机。很多人类的问题都是关乎于这个世界的根本，比如说宇宙是由什么组成的，当原始人看着石头块的时候，他很可能就直观地认为大块的石头就是由小的石头组成的，那小的石头是由更小的石头组成的。
如果你是第一个去认真回答这个问题的人，你很可能会这样回答，你会把整个宇宙列成一个表格。一个表格的第一项就是宇宙，然后它下面有很多的分项，这些分项包括我、你、这块石头、那块石头、大象、山羊、小山羊、山羊的腿等等等等。但是用这个方法有一个很大的问题，就是这个列表会相当的长，因为它需要包括这个宇宙上每一个人、每一块石头、每一只山羊，如果你还要通过这张列表表达这些东西的组成部分，那这张列表就会无限的长，当然它还要包括这张列表本身。那你说我就不列出物体内部的组成部分了，那这张列表又会变得特别的短，只有一项就是宇宙，那这张表也就没有什么用了。更重要的是，这张列表并不能帮你真的找到问题的答案，一个让人们满意的答案不仅是用来解释这个宇宙的复杂性，还要揭示它内部最简单的原理，它不仅要说明我们四周有无限多的东西，还需要为我们进行简化。比如中学学习的元素周期表就是干这个事儿用的，人们希望他看得见的、摸得到的、听得到的，每样东西都基于元素周期表的这些基本元素。
宇宙的构成原理和乐高积木差不多，大的东西是由小的东西一块儿一块儿拼起来的。当我们把一个大的东西细分下去的时候，最终会遇到一个特别简单的小积木块。实际上，像乐高积木一样，元素能组成宇宙里的很多东西，比如说恒星、岩石、尘埃、动物、植物等等。那一个原始的科学家就可能会这样猜测，很可能元素的种类是无穷的，石头可能是由石头元素组成的，空气是由空气元素组成的，火是由火元素组成的，如果这样去思考，这个原始科学家就会有一张非常非常长的列表。这样说可不是因为我们的宇宙本来就是这样的，在这里我们说的只是一种思考方式，一种认知宇宙的思考方式。如果没有别的科学家来告诉你元素周期表，你可能会去猜测我们的宇宙就是这样的，在我们的宇宙里，离我们很远、很远的东西也可能是这样的。
实际情况是今天的科学发展程度，人们已经突破了元素周期表的尺度，看到了原子内部的情况。据我们所知，物质是由元素周期表这些元素组成的，这些元素又是由更基本的单元，比如原子、电子组成的，原子内部呢又包含质子和中子，它们是由上夸克和下夸克组成的，原子核外面围绕着不同数量的电子，不同质量的原子核加上不同数量的电子，就构成了不同的元素。因此我们有了上夸克、下夸克，还有电子这样最基本的三个元素，而通过这三个元素，我们就能制造元素周期表里的任何一个元素了。这样我们把无穷无尽的宇宙分成列表，简化为一个元素周期表，又进一步简化为三个粒子。通过这三个粒子，你看得到的、摸得到的、闻得到的，都可以用这三个最小的积木构建起来，人类走到这一步可是非常不容易的。
但是，随着人们对基本粒子的探索，大家就发现粒子还有其他的类型，并不是只有电子，还有两种夸克，尽管构成你看得到的、摸得到的、听得到的所有的东西，这三个粒子就够了。但是到了二十世纪，粒子物理学家们又发现了其他九种物质粒子，还有五种传递力的粒子。这些粒子就特别奇怪了，比如说中微子，它就像幽灵一样，可以穿越几万亿千米长的铅块而不会被停下来，这个铅块对他来说就像透明的一样。还有一些其他的例子和上夸克、下夸克电子性质差不多，但是他们却重。那科学家们就觉得奇怪了，为什么会有这些额外的粒子呢？他们是干什么用的呢？是谁把它们放到我们这个宇宙里来的呢？它们存在于这个宇宙里又到底有什么意义呢？这些东西我们现在还不知道。
除了这个问题，还有一个更大的问题，虽然我们已知的三种粒子可以构成恒星、行星、彗星、还有兔子、老鼠等，我们日常接触和认识的这些，还有这些星球上的所有的东西，在整个我们所知的宇宙里，这些普通的物质和能量只占百分之五。那我们说的这百分之五就是恒星、行星，除了这百分之五，还有百分之二十七的东西我们称为暗物质，另外还有百分之六十八是我们更完全搞不懂的东西，科学家们管它叫暗能量。对于暗物质，我们只知道它拥有引力，它的一切性质我们都不了解。对于暗能量，我们就连引力都不知道，只是知道他们让我们这个宇宙继续在膨胀，除此之外我们对它一无所知。
那所谓的百分之五、百分之二十七、百分之六十八，这个比例是不是科学家胡蒙出来的？还真不是，我们后边说这些比例是怎么算出来的。人类目前就是这么的无知，打个比方，就好像好几千年以来，人们一直在研究一头大象，研究了几千年终于摸明白了，才发现我们只是摸到大象的一根尾巴而已。这个消息可能会令人有点小失望，原来我们探索了这么多年，就知道这么一丁点的东西，其实也没有必要感到失望。在我们小的时候，我们会经常听到那种英雄探索世界的故事，比如说哥伦布发现美洲大陆。但是到今天，世界上所有大陆都已经被发现了，所有的小岛也都已经被命名了，这个时候你还会对探索地球上的新大陆感到兴奋吗？而人类对宇宙的了解，还远远没有走出自己所出生的这座小岛。
可以想象一下，如果人类只开发了这个星球上百分之五的土地，这时候如果你是一个探险者，你是不是会觉得非常的激动？实际上人类就是刚刚开启一个全新的探索时代，一方面我们知道自己所知甚少，另一方面我们也正在建造一些了不起的新工具，比如大型的粒子对撞机，去揭示这个宇宙最深处的秘密。很可能两百年以后的人看我们现在的认知，就像我们现在看原始人一样，想到这里你会不会为我们的无知而感到高兴呢？
下面我们聊一聊暗物质。现在的物理学家们相信，在已知的宇宙的物质和能量里，有百分之二十七是所谓的暗物质，这个比例还是挺吓人的。这意味着宇宙中的大部分物质，不是我们已经研究了几个世纪的物质，那暗物质到底是什么东西呢？他离我们很远吗？还是就在我们身边，会对我们造成威胁吗？事实上暗物质无处不在，此时此刻你就在暗物质里呆着。暗物质的发现是来自于天文学家，他们发现星系的自转和质量让人觉得有点困惑。就好像有一个转盘，转盘上面放着很多的乒乓球，如果你转动这个转盘，那边缘的乒乓球就会被甩出去。自转的星系差不多就是这样的，因为星系在旋转，所以里面的恒星就有被甩出去的趋势。
是什么东西让这些恒星不被甩出去呢？当然就是引力了，一个星系转得越快就需要越多的引力来拉住这些行星。反过来，如果你知道了一个星系的质量，就能反过来推测出这个星系转得有多快？一开始，天文学家是通过观测一个星系里面恒星的数量，以此来猜测整个星系的质量。但是当他们用这个数字计算星系的自转速度的时候，这些东西就对不上了。人们发现的星系自转速度，远远高于人们通过质量推测出来的自转速度。换句话说，这些恒星本来应该从星系的边缘飞出去，就像刚才咱们说的那个转盘上面的乒乓球，而实际上这些乒乓球没有飞出去。
为了让这个自转的速度合理，科学家就必须在计算中让这个星系的质量增大，这样才能把这些恒星拉拢在一起。但是人们又看不到这些额外的质量从哪儿来，于是人们就想，如果每个星系都有一种很重的东西，但是这种东西又看不见，这个事儿就说得通了。但是这个推断其实是非常特别的，天文学家卡尔萨根说过这样一句话，特别的推断需要特别的证据。那么人们又找到了哪些证据来证明暗物质的存在呢？
其中一个非常重要的证据叫引力透镜，也就是暗物质使光线弯曲的一个观测现象。天文学家有时候在观测的时候会发现一些奇怪的东西，他们会在某一个方向上看到一个星系的图像，稍微移动一下眼睛，他们又会在另外一个地方看到一个一模一样的星系。这两个星系无论是形状、颜色、还是光线都一模一样。那这是怎么回事呢？为什么会在一片星空上看见两个同样的星系呢？后来人们就发现，如果有某种非常重的东西，而且这个东西你可是看不见的，这个东西正好处在你和这个星系之间，那这个现象就有了合理的解释。这个不可见的重物充当了一个引力透镜，光线从那个星系发出来，向左发射了一道光，向右也发射了一道光，这两道光贴着这个不可见的重物质飞行的时候又会被弯折聚集到一点。当这两束光线聚集的点正好是你观测的这个点的时候，你就会看到光线从左、右两个不同的方向飞过来，也就是在两个不同的方向看到同样的一个星系。这种效应其实在整个夜空中非常非常的常见，这也就意味着非常重的物质似乎无处不在，这就是人们找到的第一个非同凡响的证据。
第二个非同凡响的证据是碰撞的星系，几百万年前，两个星系团冲向对方，发生了一个史诗级的碰撞。当然我们不可能现场直播的看到这个碰撞，因为这个碰撞的过程发出的光要花几百万年才能达到地球。当两个星系团发生碰撞的时候，它们的气体和尘埃会呈现非常壮观的景象，巨大的尘埃云被撕裂，这可以说是一场非常豪华的烟火表演。但是天文学家在观察这两个星系团碰撞的时候，注意到了另外一个现象，在碰撞点附近，他们发现了两团暗物质。当然这个暗物质是不可见的，只不过是天文学家发现附近星体发出的光线，被暗物质团给扭曲了，这就证明了两团巨大暗物质的存在。奇怪的事情是，这两团暗物质沿着碰撞的方向运动，好像什么事儿也没发生，就互相穿过去了。
天文学家把这些信息放到一起梳理了一下，推理出这样一个事实，曾经有两个星系团，每一个都包含一些常规的物质，就是恒星、行星、气体、尘埃等等。除了这些常规物质，还有就是暗物质。当两个星系团发生碰撞的时候，大部分的气体和尘埃撞到一起，互相撕裂，但是暗物质撞到另外一团暗物质会发生什么样的情况呢？人们什么都探测不到，暗物质团会继续运动穿过彼此，就好像他们都是透明的。当然星系里的恒星也会相互穿过，但那是因为他们在太空中太稀疏了，他们并没有碰撞到彼此，也就是说这两团巨大的物质团互相碰撞的时候，它里面的暗物质团互相穿过去了，普通物质团互相发生爆炸。所以从本质上讲，碰撞将这些星系中的气体和尘埃给它剥离了。
上面所说的这两点，就是天文学家找到了暗物质存在的两个证据。暗物质是非常奇怪的，它和我们熟悉的东西不太一样。关于暗物质，我们就知道以下几件事儿，第一、它有质量；第二、它不可见；第三、它和普通物质不发生什么反应；第四、它和其他的暗物质居然也不发生什么反应。最后一点就是它并非躲在远处，暗物质倾向与聚在一起形成一个大的物质团，并且他很喜欢和星系呆在一起，人们没有在没有星系的地方单独发现暗物质，这就意味着此时此刻的你很可能就呆在暗物质里面。仔细想想就会觉得非常奇怪，一个东西明明就在那里，我们却看不到，这也就是为什么研究暗物质会非常难的原因，因为我们和他没有什么相互作用。
说到这儿，我们就得先说说普通的物质它的相互作用是什么样的。物质的相互作用一共有四种方式，第一种是引力，如果两个东西有质量，他们彼此就会相互吸引。第二种相互作用是电磁力，如果两个粒子带有电荷，这两个粒子之间就会产生电磁力。电磁力可以让两个东西相互吸引，也可以让两个东西相互排斥，这取决于他们带有的电荷是相反的还是相同的。电磁力离我们生活很近，实际上我们每天都会感受到这种力，当我们站在地上，并不会被地球的引力拽着，陷到地球里面去，你会觉得有地面支撑着你。那这个地面支撑你的力是什么力呢？实际上它就是电磁力。因为地面的分子通过电磁力的作用紧密结合在一起。同时会排斥你的脚。第三种相互作用叫弱核力，这种力在很多方面和电磁力有点相似，但是它非常的弱，比如说中微子就是通过这种力和其他粒子发生作用的。前面我们说了，中微子和其他粒子的相互作用非常的弱，它可以穿越很厚、很厚的铅块而不减速。弱核力虽然非常的弱，但是当能量非常高的时候，这种很弱的力会变得像电磁力一样强。事实上现在最新的研究已经证实，就是这种弱作用形成了电磁作用。那么最后一种叫强核力。这个在我们日常生活中接触的就不太多了，它是在原子核内部把质子和中子粘在一起的，这个力没有了它原子核内部带有正电荷的粒子就会互相排斥、四散而逃，也就是说这个强核作用力实际上要比电磁力要大很多，它才能把质子束缚在一起。但是这种力的特点是它的有效范围非常的短，一旦两个质子的距离稍微大一点，这种力就不存在了。
这里需要对这四种作用方式换一个角度来看待，你可能想象，大自然中一共有这四种作用力，那我们人类就是把这四种作用力一个一个地发现出来。事实上并不是这样的，在某种程度上，物理学和植物学有点像，我们目前不知道这些力为什么会存在，我们只是记载下了我们观察到的情况，然后把这些情况用四种相互作用方式给它归类。我们现在根本就不知道这四种力到底它是不是统一的一种作用方式。我们甚至不知道这四个粒子构成的列表是不是一个完整的列表，只能说是到目前为止，我们能用这四种力解释粒子物理中每一个实验的结果。
那么说完这四种相互作用力，我们来说暗物质。首先暗物质有质量，所以它有引力，但是关于它的作用，我们能够确定的信息也就只有这些了。截止到目前，科学家们认为他不参与电磁作用，也不会反射或者发出光线。暗物质似乎也没有弱核力和强核力，也就是说所谓暗物质，就是我们只能看到它和其他物质通过引力发生相互的作用，其他三种力不具备有质量的东西，我们就管它叫物质，然而我们又看不到它，所以我们才把这种东西叫做暗物质。说到这儿就存在一个问题，那暗物质是由什么构成的呢？
对于整个宇宙的构成，我们只研究了最简单的百分之五。我们不能假装知道暗物质是由某种暗物质粒子构成的，我们也无法忽视这个比例高达百分之二十七的暗物质，直到现在，世界上最聪明的大脑们都还不知道暗物质到底是什么东西。我们知道它存在、知道它的大小，也知道它大概的位置，但我们就是不知道它由什么粒子构成的，我们甚至不知道它是不是由粒子构成的。正因为我们了解的物质占这个宇宙的比例还不到百分之五，所以其实我们是在用一种特殊的物质来推论整个宇宙的构成。这就好比你走进一个幼儿园的小班，里面有二十个小朋友，你随便拽出了一个小朋友，观察他的个头、胖、瘦、性别，然后你就猜测整个这一个班二十名小朋友全是这样的性别、样貌和个头，如果你这么推测，那你肯定会出大错。那我们该怎么去推测暗物质呢？
为了取得进展，我们还是要有一些猜测。先有一些猜测，然后我们用既有的知识进行一些推论，最后还要设计一些实验进行测试。有人可能认为暗物质说不定是由一种我们未知的生物组成的。当然可以这样想，但是它太难验证了，所以它在科学上不是首选项。一种比较简单和具体的想法就是暗物质是由一种新型粒子构成，这种粒子我们还没有发现，它们以一种我们还不了解的、作用力非常微弱的和普通物质相互作用。人们为什么猜测暗物质只包含一种新型的粒子，而不是五种、八种、十二种呢？
因为这样最简单，这样的想法会优先得到检验。如果猜暗物质有十二种粒子构成，那怎么去检验呢？我们只能先从最简单的假设开始。当然暗物质也完全有可能有好几种粒子组成，就像普通的物质一样，想象一下也很有意思，这些暗粒子可能有各种有趣的互相作用力，可能产生暗化学反应，没准儿还有暗生命的存在。目前这个猜想中的候选粒子被科学家称为WIMP，它是一长串英文单词的缩写，意思呢是弱相互作用的大质量粒子。这里的弱相互作用就是人们猜测它通过一种新的力和我们这种普通的物质发生作用。这种作用非常非常小，差不多就类似中微子和普通物质发生作用的这个级别。那我们怎么知道暗物质粒子是通过一种新型的粒，而不是已有的粒和普通物质发生作用呢？
其实并不知道，只是我们希望是这样的，因为已有的力解释不了，而一种新的力我们又希望能探测到它。物理学家们设计了一些探测这个假想暗物质的实验，一个经典的策略就是将一个容器装满被压缩的低温惰性气体，容器四周全是探测器，一旦气体中一个原子被暗物质撞上，这个探测器就会响起警报。遗憾的是，迄今为止这类实验还没有找到任何暗物质，一个粒子都没有找到。相关的设备要变得足够大、足够灵敏才能探测到暗物质粒子。另外一个方法就是用高能粒子对撞机来制造暗物质，让普通的物质粒子使劲的加速、拼命加速，然后让他们撞到一起。这种对撞能把一种物质转换成其他的物质。要知道在这种对撞里面，粒子并不是通过内部的重新排列，然后变成一个新的粒子，而是消灭了旧的物质，产生了新的物质。换句话说，在对撞之前很可能不知道在寻找什么，撞了之后就可以造出几乎任何新的粒子。现在最前沿的科学家们每天做的工作就是在高能粒子对撞机里面撞撞撞，希望撞出一种新的粒子，帮助我们来发现暗物质。还有一种方法就是把望远镜对准我们认为暗物质高度集中的地方，其中离我们最近的就是银河系的中心，那里似乎有一个很大块的暗物质，这里有一个思路，就是两个暗物质粒子很可能会随机碰撞，并且因此毁灭生成新的粒子。那这个新的粒子很可能就是我们普通的物质。如果这样的反应发生得足够频繁，那么通过这种对撞产生的普通物质粒子就会满足特别的能量和位置分布。人们希望通过望远镜来发现这个过程，当然目前也还没有成功。
最后我们来总结一下，目前人类所有的发现和进步都没法解释宇宙的本质，而暗物质是一条非常重要的线索。现在人类的水平当然比原始人是不知道高到哪里去了。但是，物质甚至还没有出现在我们的宇宙数学和物理模型中，就更别提我们的教材里面了。宇宙中有这么大量的东西每天都在悄无声息地拉扯着我们，但我们连他们是什么都不知道。如果暗物质由某种新的粒子构成，我们又能通过高能对撞机制造并且控制它，那会怎么样呢？如果在发现这个暗物质的过程中，我们发现了以前从来不知道的物理定律，甚至发现新的基本作用力，或者是这些基本作用力相互作用的新的方式，那会怎么样呢？如果我们在探索的过程中发现了这些新的作用力、新的粒子，能够让我们以新的方式来控制目前这些常规的物质，又会怎么样呢？这个其实就是基础研究给人类带来最大的好处。当我们在追问一个物质它到底是什么的时候，这个问题看起来没有什么意义，但是在我们刨根问底的过程中会发现些意料之外的东西，比如说通过研究相对论，我们搞出了GPS卫星导航，通过对量子世界的探究，我们又搞出来了互联网和手机。天知道在搞清楚暗物质是什么这个过程中，我们能获得多少神奇的技术和知识。
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