中国的某个地下2400米深处，人类正在等待一个时刻发生，而结果可能颠覆认知

“我们的白天就是另一半人的黑夜，我们的星空和他们看到的完全不同，我们有着不同的时间，却生活在同一个星球上。”上面这段话描述的是生活在南北半球的人们不同的世界观感。（比如下图，左边是北极星空，右边是南极星空。）

我们在两极看到的星空完全不一样

今天我们来聊聊暗物质，先做一个假设：你是否认为暗物质构成了另一个和我们完全不同的世界？（欢迎一起讨论）

卡普坦星

卡普坦星是一颗红色次矮星；它是离太阳系最近的晕星（不在银河系悬臂里的恒星，而是在银河晕的位置）。它的视星等接近于9，可以通过双筒望远镜或者望远镜观察到。

卡普坦星的直径只有太阳的30%，但亮度却有太阳亮度的1.2%。卡普坦星可能在过去是半人马座ω球状星团的一部分，而半人马座ω本身就是一个很可能在遥远的过去被银河系吞噬的矮星系。

这颗恒星是以荷兰天文学家雅各布斯·卡普坦的名字来命名的，这颗恒星挺特殊的，它在银晕中逆着银河旋转的方向高速移动，每年有超过8弧秒的非常高的移动量，经过计算卡普坦星可能具有每秒490千米的移动速度。这在当时是移动速度最快的恒星。（而我们的太阳系，在银河系中，每天运动约1920万公里。）

而正是由于卡普坦对于移动星体的研究，他于1922年提出可以通过星体系统的运动间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。至此天文学界第一次出现了不可见物质（暗物质）这个词。

雅各布斯·卡普坦

如何证明暗物质存在？

1932年，天文学家奥尔特（Jan Oort）对太阳系附近星体运动进行了暗物质存在研究。然而未能得出暗物质存在的确凿结论。

1933年，天体物理学家兹威基（Fritz Zwicky）利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度，然后利用位力定理，他发现星系团中星系的速度弥散度太高，仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力是无法将其束缚在星系团内的，因此星系团中应该存在大量的暗物质，其质量为可见星系的至少百倍以上。

星系团

星系团就是很多类似银河系这样的星系自序性的聚集在一个宇宙空间中。它们相互之间有引力影响，但是有一种看不见的物质把它们束缚在一起。

室女座星系团

1959年凯恩（F. D. Kahn）和沃特（L. Woltjer）研究了彼此吸引的仙女座星系和银河系之间的相对运动，通过相互它们靠近的速度和彼此间的距离，推论出我们人类所处的银河系团中的暗物质应该比可见物质的质量大约十倍。我们的银河系与仙女座星系彼此吸引，据测算38亿年后将会碰撞在一起。

暗物质存在的另一个重要证据来自1970年鲁宾（Vera Rubin）和福特（Kent Ford）对仙女座大星云中星体旋转速度的研究。利用高精度的光谱测量技术，他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。

按照牛顿万有引力定律，如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上，星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着星系中可能有大量的不可见物质，并不仅仅分布在星系核心区，且其质量远大于发光星体的质量总和。

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外围的星体的速度是恒定的

星系旋转曲线描述了漩涡星系中可见天体的环绕速度和其距离星系中心距离的关系。根据对漩涡星系中可见天体质量分布的观测以及万有引力定律的计算，靠外围的天体绕星系中心旋转的运动速度应当比靠中心的天体更慢。然而对大量漩涡星系旋转曲线的测量表明，外围天体的运行速度与内部天体近乎相同，远高于预期。这暗示着这些星系中存在着质量巨大的不可见的物质。

暗物质是什么？

在著名科幻小说《三体》中，三体星人就依靠其制造的智子，干扰人类的粒子对撞机，彻底封锁了人类量子物理学的发展，从而“锁死”了人类科技。而暗物质也是现实中让粒子物理学家感到恐惧的存在。

暗物质的存在已经得到了广泛的认同,然而人类对暗物质的属性几乎没有了解。目前已知的暗物质属性仅仅包括有限的几个方面：

（1）暗物质参与引力相互作用，所以应该是有质量的，但单个暗物质粒子的质量大小还不能确定。

（2）暗物质应是高度稳定的，由于在宇宙结构形成的不同阶段都存在暗物质的证据，暗物质应该在宇宙年龄（百亿年）时间尺度上是稳定的。

（3）暗物质基本不参与电磁相互作用，暗物质与光子的相互作用必须非常弱，以至于暗物质基本不发光；暗物质也基本不参与强相互作用，否则原初核合成的过程将会受到扰动，轻元素丰度将发生改变，将导致与当前的观测结果不一致。

（4）通过计算机模拟宇宙大尺度结构形成得知，暗物质的运动速度应该是远低于光速，即“冷暗物质”，否则我们的宇宙无法在引力作用下形成观测到的大尺度结构。

综合这些基本属性。可以得出结论组成暗物质的基本粒子（或者说基本物质）不属于我们已知的任何一种基本粒子。这对当前主流的基础物理领域的粒子物理标准模型构成颠覆性的挑战。

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测，其组成成分至今仍未能全然了解。早期暗物质的理论重在一些隐藏起来的常规物质天体，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为大质量致密天体。

然而多年来的天文观测无法找到足够量的这些大质量致密天体。一般认为，难以探测的重子物质（如大质量致密天体以及一些气体）确实贡献了部分的暗物质效应，但证据指出这类的物质只占了其中一小部分。而其余的部分称作“非重子暗物质”。

此外，通过星系转速曲线、引力透镜、宇宙微波背景辐射和光质比，等观测数据也指出宇宙中85%-90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于常规物质（电子、质子、中子、中微子等）的基本粒子所构成。研究测算，可探测物质只占了宇宙总质能的4.6%左右，不可探测的暗物质占比23%，剩下的暗能量72%。

暗物质探测

因为暗物质在宇宙中是一种颇有“个性”的粒子，它质量很大，但作用力却微乎其微。几乎不与我们认识的物质的原子或者电子发生作用。“每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体，但你却感受不到，这是因为暗物质的散射截面很小。”打比方说，这就像一只足球能被球网挡住，但是一个小铁球就能穿网而过，这是因为它的截面比球网的网格要小。

为了研究看不见摸不着的暗物质，中国建立了首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”。在四川凉山彝族自治州的雅砻江锦屏大河湾，锦屏水电站下方，现在正稳步推进“中国锦屏地下实验室”二期项目，其位于岩石覆盖下方深达2400米的地下，是世界最深最大的极深地下实验室。

该实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道，在其侧面开挖长40米，宽、高各为6米的空间。因而与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比，使用更为便利，埋深2500米的隧道，因为埋得越深，宇宙射线的干扰就越少。锦屏地下实验室内的宇宙射线通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分之一，是目前国际上宇宙射线通量最低的地下实验室。

从地面上开车大概20分钟，就能到达地下实验室。一旦仪器运行稳定后，他只需在地面上的办公室监控探测器运行即可，而地下实验室的所有数据也会传送至地面，因而，科研人员无需24小时“守”着探测器。

探测暗物质最核心的装置，就是高纯锗探测器。纯度要达到12~13个(99.9999999999999%)

原理是坐等暗物质粒子撞到锗原子上发出噪声信号被探测器捕捉到。

在全球范围内，类似的暗物质地下实验室有几十个，但是到目前为止，都还没有发现暗物质的影子。

灵魂拷问

其实写到这里笔者感觉挺悲哀的，有一种想法在我脑子里打转，为何我们这个每天看得到摸得着的“真实世界”在宇宙中到底只是一个少数的存在！（不到5%而已）会否我们这个世界才是真实宇宙中看不到的存在呢？

结合古人对阴阳观念的看法，你说我们到底是在阳面里，还是在阴面中？

让我想起了2500年前的老子，他在《道德经》中有这样的描述：

《道德经》第十四章：视之不见名曰夷，听之不闻名曰希，搏之不得名曰微。此三者不可致诘，故混而为一。其上不皦，其下不昧，绳绳不可名，复归于无物，是谓无状之状、无物之象。是谓惚恍。迎之不见其首，随之不见其后。执古之道，以御今之有，能知古始，是谓道纪。

翻译：看它看不见，把它叫做“夷”；听它听不到，把它叫做“希”；摸它摸不到，把它叫做“微”。这三者的形状无从追究，它们原本就浑然而为一。它的上面既不显得光明亮堂；它的下面也不显得阴暗晦涩，无头无绪、延绵不绝却又不可称名，一切运动都又回复到无形无象的状态。这就是没有形状的形状，不见物体的形象，这就是“惚恍”。迎着它，看不见它的前头，跟着它，也看不见它的后头。把握着早已存在的“道”，来驾驭现实存在的具体事物。能认识、了解宇宙的初始，这就叫做认识“道”的规律。

这所谓的道，是不是很像我们苦苦寻找的“暗物质与暗能量”？

我们这个世界到底是我们理解的“阳间”还是另一个世界的“阴间”？

开篇提问：你是否认为暗物质里存在着另一个和我们完全不同的世界？

我的回答：阴阳互相间无法感知彼此，但是又融合在一个宇宙里，或许“暗物质”世界里的生物也在苦苦探索我们这5%的存在。

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