人類為什麼找不到暗物質（一）？

宇宙，這無盡的星海，充滿了我們已知與未知的奧秘。而在這廣闊的宇宙之中，有一種神秘的存在，儘管佔據了宇宙約27%的物質，但我們卻從未直接觀測到它——暗物質。

首先，讓我們來了解什麼是暗物質。儘管其名為“暗”，這並不意味著它是黑色的、或是不可見的。事實上，「暗」在此處意味著它不會與電磁波（即光）產生交互，因此，我們的眼睛和現有的望遠鏡都無法直接觀察到它。但我們如何知道它的存在呢？

科學家從多個角度都有跡象表明宇宙中存在比我們所觀測到的「普通物質」（如恆星、行星和氣體）更多的物質。這些跡象包括星系旋轉的方式、宇宙大尺度結構的形成、以及宇宙背景輻射的微小波動。這些跡像都指向了同一個結論：存在一種我們還未直接觀測到的物質，它的引力作用與普通物質相似，但其它的物理特性與普通物質截然不同。

暗物質的存在不僅僅是理論上的猜測。例如，當我們觀測到的星系旋轉速度與預期的基於可見物質的速度不符時，這為暗物質的存在提供了線索。再例如，為了解釋星系之間的引力相互作用，我們需要比現有觀測到的更多的「質量」來解釋這種現象，這「隱藏的質量」即暗物質。

它在宇宙中所佔的比重使其不容忽視。據估計，普通物質，如恆星、行星和氣體，只佔宇宙的5%左右，而暗物質則佔據了宇宙總質量的約27%。這意味著，儘管我們不能直接看到或觸摸暗物質，但它無疑是構成我們宇宙的主要成分之一。

星系的旋轉曲線

星系，由無數的恆星、行星、氣體和塵埃組成，是宇宙中的宏大的結構體系。它們如同夜空中旋轉的巨大的漩渦，吸引人類的目光和好奇心。然而，當科學家觀測這些星系的旋轉行為時，他們發現了一個令人困惑的問題。

在我們的日常經驗中，例如溜冰場裡的溜冰者，當他們將雙手伸向身體外側時，旋轉速度會減慢；當雙手貼近身體時，旋轉速度會加快。這是因為他們的角動量守恆。類似的，當我們觀測到星系，尤其是螺旋星系，我們會預期星系邊緣的恆星會因為離星系中心更遠而旋轉得更慢。但實際的觀測結果完全顛覆了這個預期。

實際上，星系的旋轉曲線展示了星系中心與邊緣的恆星們都以幾乎相同的速度旋轉。這是非常反直覺的，因為在可觀測的物質（如恆星、塵埃、氣體等）所產生的引力下，星系的旋轉速度曲線應該會隨著離中心的距離增加而逐漸下降。

為了解決這個謎題，科學家提出了一個假設：也許存在著一種我們看不到的「額外的物質」包圍在星系的周圍，這種物質對星系內的恆星產生了額外的引力作用，使得它們旋轉速度維持在一個幾乎恆定的值。

這個假設並非空穴來風。為了解釋觀測到的旋轉曲線，這種隱形的物質（即暗物質）的質量應該遠遠超過星系中所有可見物質的質量。據估計，暗物質的質量是可見物質的五倍左右，這也與我們在上一章節中提到的，暗物質在宇宙中佔據約27%的比例相符。

此外，根據各種天文觀測和模擬，暗物質可能分佈在一個「暗暈」的形狀中，包圍著每個星系。而這種分佈方式剛好可以為星系邊緣的恆星提供足夠的引力，使其保持與星系中心的恆星相同的旋轉速度。

探測暗物質的方法

暗物質的存在，如同一個看不見的幽靈，始終困擾著科學家。儘管我們不能直接「看到」它，但它在宇宙中的影響已經被多次證明。那麼，如何才能探測到這種神祕的物質呢？

首先，我們可以透過引力作用間接探測暗物質。如同先前所說，暗物質對於星系的旋轉速度有明顯的影響，使得星系的邊緣恆星和中心的恆星旋轉速度相近。同時，暗物質也影響了大規模結構的形成，例如星系團和超星系團。利用這些現象，科學家可以對暗物質的分佈和總量做出估計。

除了重力效應，暗物質還可能透過其他方式與常規物質發生微弱的相互作用。基於這種觀點，現代的物理學家設計了一系列實驗，試圖直接或間接地探測到暗物質。

例如，地下實驗室已經成為尋找暗物質的熱土地。深入地下，可以避免來自太陽和其他天體的中子和高能粒子的干擾。在這樣的實驗室裡，高純度的探測器正在尋找暗物質粒子與普通物質粒子相互作用的微弱訊號。儘管這些實驗非常敏感，但迄今為止，仍然沒有直接證據證明暗物質粒子的存在。

在太空中，尤其是國際太空站上，也進行了大量的暗物質探測實驗。這些實驗利用粒子探測器來捕捉可能來自暗物質碰撞的高能量粒子。

此外，大型強子對撞機（ LHC ）也被用於暗物質的偵測。儘管LHC主要是為了探測高能物理的現象，但科學家希望在其中產生的高能粒子碰撞中找到暗物質的痕跡。