暗物质人类看不见，是否只是因为其物质发出的光的频率人眼看不到? 第1页

不是。

你需要搞明白暗物质的定义，才能思考这种问题，而不至于乱想一通。

“看”的定义是通过视觉感知电磁波，而狭义的暗物质是不参与电磁相互作用的。

人可以借助弱相互作用和引力相互作用观测到暗物质，也可以通过电磁相互作用观测暗物质对其他物质的影响而间接观测暗物质。人修建的暗物质粒子探测设备在基本排除宇宙线与自然本底辐射影响后已经观测到一些东西撞击原子核产生的信号，它的变化规律不能归结到太阳系内已知天体的活动上。

• 以“肉眼看不到空气”为例，空气在高温物体附近运动时对光的不均匀折射可以产生扭曲的影像。你可以在夏天眺望被阳光烤得发烫的路面上方，从而间接观测到空气。
• 人的仪器已经可以检测到作为暗物质的中微子，而地球上没有任何已知生物表现出自己能“看”到中微子。

广义的暗物质是在我们目前的条件下不能靠电磁波观测的东西，包括重子暗物质和非重子暗物质^[1]。重子暗物质是参与电磁相互作用的，例如非常稀薄的星际分子云、附近缺乏光源的星际行星和褐矮星、遥远的晕族大质量致密天体（中小型黑洞、中子星、较暗的白矮星）。你的身体也主要是重子物质。

• 观测不到一部分重子物质，是因为对我们手里的望远镜来说目标在其距离上看起来光度太低，而目标实际上未必暗到哪去^[2]。
• 人类的光学望远镜的性能，包括其覆盖的波段，早就超过了地球上所有的非人生物的眼睛。人类观测不到的那些重子暗物质，非人生物也观测不到。重子暗物质会随着被人类观测到而被重新定义为常规物质。
• 当然，只比较裸眼视力的话，人在夜空中看不到的许多恒星可以被鲸等动物看到。在人拿起天文望远镜之后，情况就颠倒过来了。
• 和这个类似，“七种颜色的彩虹”只是相对人肉眼的辨色能力和你熟悉的有这七种颜色分类的语言来说的。人的仪器可以检测到更宽的光谱并输出更多的颜色，可以轻易超越地球上任何非人生物的视觉能力。人类的许多文化的语言缺少你熟悉的七种颜色中的几个单词^[3]。

非重子暗物质是不参与电磁相互作用的东西，也就是狭义的暗物质，可根据运动速度分为热暗物质、温暗物质、冷暗物质。

• 热暗物质粒子的运动速度接近真空光速，例如中微子，人类已经知道中微子不参与电磁相互作用而参与弱相互作用。中微子可以被专门设计的大科学装置观测，例如日本的超级神冈探测器。

1998 年，超级神冈探测器首次发现了中微子震荡的强烈证据，其观测到了 μ 子中微子转变为 τ 子中微子的现象，显示中微子具有质量。梶田隆章在该年的“中微子物理学·宇宙物理学国际会议”上发表该结果，以此研究获得 2015 年诺贝尔物理学奖。

• 温暗物质粒子的运动速度足以产生相对论效应，但距离真空光速尚远，例如惰性中微子^[4]，在标准模型里它只参与引力相互作用；
• 冷暗物质粒子的运动速度远低于真空光速，目前认为可能由大质量弱相互作用粒子（例如最轻的超中性子^[5]）组成，也有轴子等假说。

当然，足够多的重子暗物质可以直接覆盖冷暗物质的功能。也有一些学者希望用大量的原初黑洞来解释暗物质。在某些模型里，人类只要靠得够近、打上强光，就可以裸眼看到原本认为是冷暗物质的所有东西。

引入暗物质的概念是为了解释星系自转问题等表现出异常引力的观测事实，不同星系自转的情况有差异，有些需要的暗物质含量几乎为零，有些则异常多。暗物质也在大尺度结构形成过程的模拟中成功解释了星系团动力学，并正确地预测了引力透镜观测的结果。

在历史上，最早提出暗物质相关证据的是扬·亨德里克·奥尔特，在 1932 年他根据银河系恒星的运动提出银河系应该有更多的质量。

1933 年，弗里茨·兹威基在研究后发座星系团时，使用维里定理推断其内部有看不见的质量。

1959 年，Louise Volders 指出螺旋星系 M33 的转动不遵循开普勒定律^[6]。

到了 1970 年代，这情况扩展至许多其他的螺旋星系。

本来，人们觉得在螺旋星系盘面上的物质（例如恒星和气体）环绕星系中心核球旋转的轨道应该与太阳系的行星一样遵循牛顿力学，在足够远的距离上，天体的平均轨道速度应该依照质量分布递减，与轨道距离的平方根成反比。而观测事实是，中心核球外的轨道速度相对于距离几乎是个常数。

薇拉·鲁宾推测在远离星系中心的地方有不发光的庞大质量拉住星系外侧的物质，在 1980 年将结果发表为一篇有影响力的论文^[7]：

2006 年，美国天文学家利用钱德拉 X 射线望远镜对星系团 1E 0657-558 进行观测，无意间发现这个星系团是两个大星系团碰撞形成的，此撞击使暗物质与正常物质分开，成为暗物质存在的直接证据^[8]：

钱德拉望远镜利用 X 射线探测到的灼热气体在这张照片中显示为两个粉红色团块，包含了这两个星系团中大部分常规物质。蓝色则是其大部分质量所在的地方，这是由引力透镜效应显示的：来自遥远物体的光被质量引起的空间弯曲所扭曲，扭曲程度大大超过热气体造成的影响。而这部分质量并不发出可见光。

在碰撞过程中，热气体会发生相互作用而受到阻力，而不参与电磁相互作用的暗物质不会因撞击而减慢，造成暗物质与常规物质分离。

科学家们发现螺旋星系 NGC 4736 的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系几乎没有暗物质。

与此同时，蜻蜓 44 等星系的暗物质含量达到了物质的 300 倍左右^[9]。

在当前的宇宙学标准模型中，根据不同的观测手段给出的实测值，暗能量拥有宇宙中 68.3%~74% 的质能。2020 年，美国加州大学河滨分校的研究团队得出的最新测量结果^[10]是，物质和暗物质合计占宇宙总质能的 31.5±1.3%^[11]，其余是暗能量。

在上述约 31% 的物质之中，暗物质占了约 80%。

参考

1. ^ http://pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-dark-matter.pdf
2. ^ 要知道，以我们现在贫弱的观测能力，100光年内可能还有尚未发现的若干颗红矮星及围绕它们运转的大量行星。
3. ^ 通常，在一门人类语言的发展过程中，对于表示颜色的词的先后出现顺序，有这样的规律：先出现黑色和白色，然后是红色，然后是绿色和黄色，接下来是蓝色，最后出现棕色、紫色、橙色、灰色。该规律在研究过的数百种语言中对约六分之五的语言适用。
4. ^ https://science.sciencemag.org/content/317/5844/1527.abstract
5. ^超对称假设的一种马约拉纳费米子 https://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356v5
6. ^ http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=1959BAN
7. ^ https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471R
8. ^ https://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/
9. ^ 2016年的观测数据认为有一万倍，2020年的最新数据是300倍左右 http://dx.doi.org/10.1093/mnras/staa3016
10. ^ 方法是首先开发利用星系的轨道来测量星团质量的工具，借此分析斯隆数字化巡天提供的观测数据，创建公开的星团目录GalWCat19，将该目录中的星团数量与模拟结果进行比较，确定出宇宙中物质的总量
11. ^ 物质和暗物质中的约20%是重子物质（恒星、星系、原子、生命等）。