为什么科学家要假设存在暗物质？ 第1页

我来尝试简单解释一下。暗物质的概念是用来解释所有观察到的星系（银河系，仙女座星系等）中，恒星围绕星系中心公转速度过快的问题。

这里不需要高深的数学推导。以我们周围的太阳系为例，离太阳远的行星受到太阳的引力小，公转速度就会低，而离太阳近的行星受到引力大，公转速度就高。同样的道理适用于星系，距离星系中心远的恒星公转速度应该低。而实际观察结果是，恒星公转速度远高于计算值。这个计算值是根据星系中所有已知物质（恒星，黑洞，星云等）质量所能产生的引力总和得出的。科学家的推论是，应该有其他物质提供了额外的引力。而这样的物质有怎么也观察不到，所以就把它叫做暗物质。

这里的逻辑很简单，星系应该提供了比观察到的物质更大的引力 -》星系中有更多没有观察到的物质。怎么能说是“凭空推断”？

科学研究就是一个观察-假设-证伪的过程。如果一个假设可以解释观察到的现象，目前没有被证伪，并且还可以解释以后观察的其他现象，那他就是一个有效的假设。我想题主的看法来自暗物质假设和直观感受的冲突：应该到处都是，为什么观察不到。事实上，二十世纪以来的物理学进步，大多数都是违反人类的直观感受的，如相对论，量子力学，超弦。如果被限制于直观感受，我们的物理学也就止步于经典体系了。在我看来，“到处都是”和“观察不到”的巨大反差恰好是物理进步的巨大机会。

物理假设被证伪的确实不少，像热质，以太，然而成功的也很多。现在观察不到，并不意味着以后也找不到。希格斯波色子从预言到证实不是也花了50多年吗？

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反正是做科普，就多加几条。

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一。 为什么说暗物质是物理学重大突破的机会的？

我们观察不到暗物质，只有如下3种可能。

1. 暗物质是宇宙中过于黑暗，所以难以观察的天体，向黑洞，棕矮星等。

2. 粒子物理的标准模型错了或者很不完善，漏掉了组成物质85%的粒子。

3.引力在大尺度下运作方式和我们想象的不一样。

事实上，第一种可能已经基本否定了。黑暗的天体虽然看不到，但是我们可以通过引力透镜间接知道它的存在。经过近年的观察，科学家已经排除了这种可能。

如果证实是第二种可能，我们就有机会对标准模型做出重大改进，这对粒子物理和量子物理的影响深远毋庸置疑。

如果是第三种，我们对引力的认识不对，也就是说，广义相对论错了。这对物理学的影响甚至会大过第二种情况。

二。暗物质在天文物理研究中的应用

目前，科学家已经用暗物质的概念来解释宇宙的结构。从大尺度上看，宇宙体现出如下图类似蜘蛛网的结构，称为宇宙网（Cosmic Web）。每一个点就是一个星系（不过在图中看不见）。较大的光斑是大规模的星系群。蛛丝一样的细线是没有形成星系的氢和少量星系。

现在对这个结构的认识是，暗物质按照这个网状结构分布，形成了宇宙网的骨架。它提供引力，让所有的星系附着在骨架上，构成了整个宇宙的物质分布。

另外暗物质对上述我们现有宇宙的产生也有不可缺少的贡献。大爆炸后，氢和氦按各向同性分布于宇宙空间，不足以提供足够的引力集中构成星系乃至点燃恒星。这里缺少的引力也是暗物质提供的。

虽然在确定观察到暗物质以前，这些都是假说。但是它们和观察计算结果十分吻合，也增加了科学家对暗物质假说的信心。

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多维（>3）空间和暗物质

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有少数物理学家确实持有这种观点，认为有可能是来自其他维度的引力给了我们暗物质的假象。其实，多维空间的假想由来已久。早在上世纪20年代，就有物理学家和数学家提出了五维空间的概念，作为一个统一引力和电磁力的尝试。引力和其他三种基本力（强，弱，电磁力）的一个重大区别就是特别弱。如用磁铁就可以吸起一个铁钉，说明一小块磁铁产生的磁力就注意对抗整个地球产生的引力。他们的观点是引力可以跨越维度发生作用，所以大部分引力都泄漏到其他维度去了，剩余在这个三维空间的引力就很少了。虽然后来这个理论被发现不准确，但是多维空间的概念却被继承下来。

现在比较流行的多维空间的假想来自由超弦理论扩展出来的M－理论。超弦理论提出了九维空间（或十维时空），但是有6个维度卷曲在亚原子的微观结构中，我们无法感知。而M－理论提出我们的宇宙存在于一层膜上（难以理解的话，不妨想象为二维的膜）。而其他的膜上存在着其他的宇宙。所以M－理论也是一种多宇宙的理论。

现在回来说暗物质。如果两层膜距离很近的话，引力可以从一个宇宙影响另一个宇宙，这样就产生了我们观察到的暗物质现象。这里说的距离是另一个维度的距离，就算只有1厘米，我们也是看不见的。

虽然超弦和M理论都比较流行，但是大多数物理学家都不看好它能解释暗物质，因为它的假设条件过于严格，比如膜之间的距离很小，引力只能泄漏一点而不能太多，并且计算结果是否和观察到的宇宙结构能否吻合也不清楚，等等，因此我也没有把他列为上面的可能之一。

虽然多维空间是一个物理爱好者们（像我这样的）十分感兴趣的话题，但是我们也应该看到物理研究中的多维理论比简单的在三维空间中加一个维度要复杂得多。那么我们的空间是不是一个简单的四维或更高维的空间（注：我这里知识讨论空间，没有把时间加上去），只是我们观察不到呢？我在《一分钟物理》中看到这个有趣的问题。

可能扯的有点远了，但是我还是觉得值得分享一下：为什么太阳系，银河系都是扁平的？

在太阳系还未形成的时候，是一个不规则的气体团。相互碰撞的粒子沿着三维空间的每一个方向绕着中心旋转。数学计算表明，总有一个平面，使得所有粒子都有一个在这个平面上旋转的速度分量。随着粒子碰撞，其他方向上面的速度／动量都相互抵消了，最后只剩下在这个平面上运动的速度。最后太阳系，银河系，乃至其他星系变成了扁平的形状。

这和多维空间有什么关系呢？问题是，在四维空间中，有两个这样的平面，导致粒子无法进入一个扁平结构，也无法凝聚成恒星，行星，我们也不会存在了。这表明，我们的宇宙中（可能大家会比较失望），三维以上的维度很可能不存在。

我觉得那些还没看明白题目就开喷和冷嘲热讽的，才是真正需要科普的人。

还是有好多人的答案很中肯的。

在没见到真理之前，我们只能将就着用。

就好像有人说了，没有化学理论前，只能将就着用燃素这个概念解释燃烧。

根据天王星的轨道扰动，我们估计天王星轨道外一定有一颗大质量的未知行星。

后来观测到了，起名字叫海王星。没人再叫海王星是“天王星轨道外的未知大质量行星”了。

不能被观测到的，但是被理论推测出存在的，要么今后会被观测到，要么理论本身有问题。

观测到了，或者理论修改了，暗物质这个名字也就成了过去。

暗物质就像以太，终究是要被扫进科学的垃圾堆的。只不过还没有拨云见日的人出现，我们只能忍暗物质和暗能量。

科学家挖那么深的井，灌那么多水，不也在卖力找么。希望有生之年看见暗物质成为昨日黄花，到那时候翻出这个题目也好看打脸嘛。

发现问题，提出假设，论证假设。能在现有知识条件，能够证明，就成为理论；不对就推翻重来

这个就是科学家的工作方式。人类进步的方式

科学家为什么要假设暗物质，因为他们发现问题，需要有个理论去解释，于是提出假设；然后去论证它……这个时间可能会很长，就像引力波，快一个世纪了，到现在也没有被发现过……

就算以后证明这个理论是错的，也是应该被尊敬，而不是像你这样……而已……罢了……。

为什么要提出以太，因为以前认为波的传递需要介质；没有以太的推翻，怎么会知道真空可以传递。

为什么要提出燃素，因为以前发现有些物质可以燃烧，而且燃烧后质量变轻了；如果没有燃素，怎么知道氧化还原反应的原理。

……

没有这些谬误，哪来的正确理论。有什么资格去说这些谬误太多了……

如果一个假设，不能在自己疑问的范围内自圆其说，又是哪个2B科学家会提出来的？？

被逼的啊……

注意图中的垃圾袋和眼镜，刚好是两个极端的例子。

眼镜在可见光波段透明，但将红外线反射；
垃圾袋在红外线波段透明，但将可见光吸收。

暗物质的性质正是如此，不与光子发生作用。可以毫无阻挡的被光子穿过，在电磁波段不可见（透明），这区别于我们已知的常规物体；
但和普通物质一样，它与质量发生作用，可以探测到其引力，观察到引力透镜效应，甚至能推测其宇宙中所在位置与占比。

垃圾袋无法阻挡红外线，对于红外相机来说，垃圾袋就是个类似暗物质的存在。

图源：黑体辐射

类似比较直白的科普：太阳的能量大概有多大？