不知道暗物质是什么，没探测到暗物质粒子，星系天文学和宇宙学中就默认暗物质粒子是重要成分了，这合理吗？
这确实是一个非常尖锐和值得深入探讨的问题。在没有直接探测到暗物质粒子本身的情况下，天文学家和宇宙学家却将其视为宇宙的重要组成部分，这乍一看似乎有些“先入为主”。但如果我们深入了解背后的科学推理和观测证据，就会发现这种“默认”是有着坚实基础的，绝非空穴来风。
要理解这个问题，我们得先回到基础。我们对宇宙的认识，本质上是通过观测光和其他电磁波来构建的。我们看到的星星、星系、星云，都是它们发出的光抵达我们的眼睛或探测器。然而，随着科学的进步，我们发现仅仅依靠我们能“看见”的普通物质（也就是由质子、中子、电子组成的物质，我们称之为“普通物质”或“可见物质”），根本无法解释我们观测到的宇宙现象。
问题的根源：引力不匹配
科学界开始注意到“暗物质”这个概念，主要源于一系列在不同尺度上出现的引力不匹配的现象。这就像我们在观察一个物体下落时，发现它的运动轨迹和我们根据已知力学定律计算出的结果不符，我们就得怀疑是不是有什么我们不知道的力量在影响它。
1. 星系旋转曲线之谜： 这是最早也是最经典的证据之一。弗里茨·兹威基在20世纪30年代观测仙女座星系时，发现星系中恒星的运动速度远远超过了基于可见物质质量计算出的引力所能束缚的速度。也就是说，如果星系只由我们看到的恒星和气体组成，那么外围的恒星早就应该因为离心力而飞散出去，星系应该早就“解体”了。为了维持星系的稳定，必须存在额外的、我们看不见的质量，提供额外的引力来“拉住”这些恒星。后来，维拉·鲁宾等人的精确观测进一步证实了这一点，她发现几乎所有星系的外围恒星都以惊人的速度旋转，而这种速度并不随着距离增加而减慢，这与我们预期的只由可见物质分布决定的“轨道速度随距离增加而降低”的规律大相径庭。这就好比你在旋转一个用绳子系着石头的装置，如果绳子拉力不够，石头就会飞出去，但如果石头飞得比预期的慢，我们就得怀疑绳子外面是不是还有另一层看不见的“加固层”。
2. 星系团的动力学和引力透镜效应： 在更大的尺度上，星系团中的星系运动速度同样显示出质量不足的问题。此外，当光线经过大质量物体时会发生弯曲，这种现象叫做引力透镜效应。通过观测远方星系的光线被前景星系团弯曲的程度，我们可以估算出星系团的总质量。令人惊讶的是，通过引力透镜效应计算出的星系团质量，远远大于构成这些星系团的可见物质（恒星、气体等）的总质量。这意味着星系团中存在大量的不可见物质，其质量是我们可见物质的数倍。
3. 宇宙微波背景辐射（CMB）的不均匀性： CMB是宇宙大爆炸后留下的“余晖”，它携带了宇宙早期信息。科学家们对CMB的温度涨落进行了极其精确的测量。这些涨落模式包含了关于宇宙组分的丰富信息。通过分析CMB的涨落图谱，科学家们能够极其精确地推断出宇宙的总质量能量密度，以及其中不同成分的比例。这些分析结果一致表明，宇宙的绝大部分（约占总质量能量的27%）是以暗物质的形式存在的，而普通物质只占约4.9%。剩下的绝大部分（约68%）是“暗能量”，这是另一个更神秘的概念，负责宇宙加速膨胀。
4. 大尺度结构的形成： 宇宙中的星系和星系团并非均匀分布，而是形成了巨大的网状结构。科学家们通过模拟和观测发现，要形成如此规模的结构，必须有暗物质提供的“引力种子”。普通物质在宇宙早期非常热，带有电荷，会与光子相互作用，导致它们在“自由组合”形成原子之前无法坍缩聚集。而暗物质不与光子相互作用，可以更早地聚集，形成引力势阱，吸引普通物质在其周围坍缩，最终形成了我们今天看到的宇宙大尺度结构。如果没有暗物质，宇宙的结构形成速度将远远跟不上。
为什么说这种“默认”是合理的？
解释力的统一性： 所有这些不同尺度的观测现象，都指向了同一个结论：宇宙中存在一种不发光、不与电磁波相互作用、但具有引力的物质，而且其总量远远超过可见物质。暗物质提供了一个统一的解释框架，能够同时解决星系旋转、星系团动力学、引力透镜和宇宙结构形成等一系列看似独立的难题。如果不存在暗物质，我们就需要提出无数个独立的、互不相关的解释来应对这些现象，这在科学上是难以接受的。
预测能力： 基于暗物质存在的模型，不仅能够解释已有的观测，还能对未来的观测做出预测。例如，通过CMB数据推断出的暗物质密度，可以被用来预测星系团的数量、分布以及宇宙大尺度结构的演化模式，而这些预测与实际观测结果非常吻合。
科学方法的迭代： 科学的进步不是一成不变的。当初，人们对引力的理解是基于牛顿和爱因斯坦的理论。当观测结果与理论预测出现偏差时，科学家并没有直接否定理论，而是推测可能存在未知因素（如暗物质）。这是一种科学假设，等待着进一步的检验。
缺乏直接探测的尴尬与未来的挑战
当然，我们必须承认，目前我们还没有“直接探测到暗物质粒子”。这是一个巨大的挑战，也是科学家们孜孜不倦努力的方向。目前的主流假设是暗物质由一种或多种尚未发现的粒子构成，例如弱相互作用大质量粒子（WIMPs）、轴子（Axions）等。全球有无数的实验项目，如地下探测器（SuperKamiokande, LZ, XENONnT 等）、粒子加速器对撞实验（LHC）以及太空望远镜，都在试图捕捉这些假想粒子的踪迹，或者通过它们的间接效应（如湮灭产生的光子、中微子等）来证明其存在。
迄今为止，尽管付出了巨大的努力，但这些直接和间接的探测实验尚未获得令人信服的“暗物质粒子”信号。这无疑给目前的模型带来了一定的压力，促使科学家们不断反思和调整理论，也考虑是否存在其他可能性，例如对引力理论本身的修正（如修正牛顿动力学 MOND）。
总结一下：
天文学家和宇宙学家在没有直接探测到暗物质粒子之前就将其视为重要成分，并非“拍脑袋”的决定，而是基于 海量的、多方面一致的间接证据。这些证据表明，宇宙中存在着一种我们看不见、摸不着的物质，它拥有巨大的引力，并且是维持我们所见宇宙结构稳定和演化的关键。
这是一种 基于观测证据和理论解释力的科学推理过程。就像医生通过病人的症状（如发烧、咳嗽）推断出疾病（如流感），即使没有直接看到流感病毒，也必须开始治疗。暗物质的“默认”存在，是为了构建一个能够解释宇宙现象的完整图景，并且这个图景在很大程度上是成功的。
当然，科学的魅力在于不断探索未知。暗物质的最终身份仍然是宇宙学中最令人兴奋的未解之谜之一。科学的进程就是这样：当现有理论无法解释观测时，我们提出新的假设，然后用更多的观测去检验它。目前，暗物质模型虽然面临缺乏直接证据的挑战，但它仍然是我们理解宇宙最强有力的工具。
要理解这个问题，我们得先回到基础。我们对宇宙的认识，本质上是通过观测光和其他电磁波来构建的。我们看到的星星、星系、星云，都是它们发出的光抵达我们的眼睛或探测器。然而，随着科学的进步，我们发现仅仅依靠我们能“看见”的普通物质（也就是由质子、中子、电子组成的物质，我们称之为“普通物质”或“可见物质”），根本无法解释我们观测到的宇宙现象。
问题的根源：引力不匹配
科学界开始注意到“暗物质”这个概念，主要源于一系列在不同尺度上出现的引力不匹配的现象。这就像我们在观察一个物体下落时，发现它的运动轨迹和我们根据已知力学定律计算出的结果不符，我们就得怀疑是不是有什么我们不知道的力量在影响它。
1. 星系旋转曲线之谜： 这是最早也是最经典的证据之一。弗里茨·兹威基在20世纪30年代观测仙女座星系时，发现星系中恒星的运动速度远远超过了基于可见物质质量计算出的引力所能束缚的速度。也就是说，如果星系只由我们看到的恒星和气体组成，那么外围的恒星早就应该因为离心力而飞散出去，星系应该早就“解体”了。为了维持星系的稳定，必须存在额外的、我们看不见的质量，提供额外的引力来“拉住”这些恒星。后来，维拉·鲁宾等人的精确观测进一步证实了这一点，她发现几乎所有星系的外围恒星都以惊人的速度旋转，而这种速度并不随着距离增加而减慢，这与我们预期的只由可见物质分布决定的“轨道速度随距离增加而降低”的规律大相径庭。这就好比你在旋转一个用绳子系着石头的装置，如果绳子拉力不够，石头就会飞出去，但如果石头飞得比预期的慢，我们就得怀疑绳子外面是不是还有另一层看不见的“加固层”。
2. 星系团的动力学和引力透镜效应： 在更大的尺度上，星系团中的星系运动速度同样显示出质量不足的问题。此外，当光线经过大质量物体时会发生弯曲，这种现象叫做引力透镜效应。通过观测远方星系的光线被前景星系团弯曲的程度，我们可以估算出星系团的总质量。令人惊讶的是，通过引力透镜效应计算出的星系团质量，远远大于构成这些星系团的可见物质（恒星、气体等）的总质量。这意味着星系团中存在大量的不可见物质，其质量是我们可见物质的数倍。
3. 宇宙微波背景辐射（CMB）的不均匀性： CMB是宇宙大爆炸后留下的“余晖”，它携带了宇宙早期信息。科学家们对CMB的温度涨落进行了极其精确的测量。这些涨落模式包含了关于宇宙组分的丰富信息。通过分析CMB的涨落图谱，科学家们能够极其精确地推断出宇宙的总质量能量密度，以及其中不同成分的比例。这些分析结果一致表明，宇宙的绝大部分（约占总质量能量的27%）是以暗物质的形式存在的，而普通物质只占约4.9%。剩下的绝大部分（约68%）是“暗能量”，这是另一个更神秘的概念，负责宇宙加速膨胀。
4. 大尺度结构的形成： 宇宙中的星系和星系团并非均匀分布，而是形成了巨大的网状结构。科学家们通过模拟和观测发现，要形成如此规模的结构，必须有暗物质提供的“引力种子”。普通物质在宇宙早期非常热，带有电荷，会与光子相互作用，导致它们在“自由组合”形成原子之前无法坍缩聚集。而暗物质不与光子相互作用，可以更早地聚集，形成引力势阱，吸引普通物质在其周围坍缩，最终形成了我们今天看到的宇宙大尺度结构。如果没有暗物质，宇宙的结构形成速度将远远跟不上。
为什么说这种“默认”是合理的？
解释力的统一性： 所有这些不同尺度的观测现象，都指向了同一个结论：宇宙中存在一种不发光、不与电磁波相互作用、但具有引力的物质，而且其总量远远超过可见物质。暗物质提供了一个统一的解释框架，能够同时解决星系旋转、星系团动力学、引力透镜和宇宙结构形成等一系列看似独立的难题。如果不存在暗物质，我们就需要提出无数个独立的、互不相关的解释来应对这些现象，这在科学上是难以接受的。
预测能力： 基于暗物质存在的模型，不仅能够解释已有的观测，还能对未来的观测做出预测。例如，通过CMB数据推断出的暗物质密度，可以被用来预测星系团的数量、分布以及宇宙大尺度结构的演化模式，而这些预测与实际观测结果非常吻合。
科学方法的迭代： 科学的进步不是一成不变的。当初，人们对引力的理解是基于牛顿和爱因斯坦的理论。当观测结果与理论预测出现偏差时，科学家并没有直接否定理论，而是推测可能存在未知因素（如暗物质）。这是一种科学假设，等待着进一步的检验。
缺乏直接探测的尴尬与未来的挑战
当然，我们必须承认，目前我们还没有“直接探测到暗物质粒子”。这是一个巨大的挑战，也是科学家们孜孜不倦努力的方向。目前的主流假设是暗物质由一种或多种尚未发现的粒子构成，例如弱相互作用大质量粒子（WIMPs）、轴子（Axions）等。全球有无数的实验项目，如地下探测器（SuperKamiokande, LZ, XENONnT 等）、粒子加速器对撞实验（LHC）以及太空望远镜，都在试图捕捉这些假想粒子的踪迹，或者通过它们的间接效应（如湮灭产生的光子、中微子等）来证明其存在。
迄今为止，尽管付出了巨大的努力，但这些直接和间接的探测实验尚未获得令人信服的“暗物质粒子”信号。这无疑给目前的模型带来了一定的压力，促使科学家们不断反思和调整理论，也考虑是否存在其他可能性，例如对引力理论本身的修正（如修正牛顿动力学 MOND）。
总结一下：
天文学家和宇宙学家在没有直接探测到暗物质粒子之前就将其视为重要成分，并非“拍脑袋”的决定，而是基于 海量的、多方面一致的间接证据。这些证据表明，宇宙中存在着一种我们看不见、摸不着的物质，它拥有巨大的引力，并且是维持我们所见宇宙结构稳定和演化的关键。
这是一种 基于观测证据和理论解释力的科学推理过程。就像医生通过病人的症状（如发烧、咳嗽）推断出疾病（如流感），即使没有直接看到流感病毒，也必须开始治疗。暗物质的“默认”存在，是为了构建一个能够解释宇宙现象的完整图景，并且这个图景在很大程度上是成功的。
当然，科学的魅力在于不断探索未知。暗物质的最终身份仍然是宇宙学中最令人兴奋的未解之谜之一。科学的进程就是这样：当现有理论无法解释观测时，我们提出新的假设，然后用更多的观测去检验它。目前，暗物质模型虽然面临缺乏直接证据的挑战，但它仍然是我们理解宇宙最强有力的工具。
网友意见
“暗物质”只是假设，就像“进化论”也是假设一样，甚至在2016年 发现引力波前，“引力波”也只是假设存在。
之所以用假设做默认，是因为没有比假设更合理的说法了，将就着用吧，要不然有什么办法？
你怎么解释星系外围转速异常问题——假设宇宙中大量存在暗物质，同样的你怎么解释宇宙加速膨胀问题——那就来个暗能量吧。
暗能量、暗物质——笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云——我们完全不知道的东西，就像19世纪以前人类根本不知道太阳为啥发光。
不要觉得遗憾，至少物理学还有方向，否则我们连我们不知道什么都意识不到。
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