暗物质是什么？

近50年，科学界一直在努力寻找答案：宇宙中大量的不可见物质是什么？

我们所能看到是：恒星、行星、宇宙尘埃，以及这些物质之间那些存在的可见物体。但这些物质都无法解释为什么宇宙能以当前的方式存在并运动。而依据目前的理念，实际上宇宙中的物质应是我们所见物的五倍。那么究竟是存在了什么？

那些不可见物完全不反射光或与光不会产生交互反应，对于人眼或人类目前各种探测技术手段，都表现为不可见。这些占据宇宙大部分质量，难以捉摸且看不见的物质，只能暂命名为暗物质dark matter.

在1970年代，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和W·肯特·福特（W. Kent Ford）通过观察在螺旋星系边缘运行的恒星，证实暗物质的存在。他们指出，这些恒星的移动速度太快了，完全超出了该星系内可见物质所具有的引力约束能力。但是，这些恒星并没有飞出该星系，整个星系也没有散架，唯一的解释是大量看不见的力量将这个星系束缚控制成目前的状态（这项研究基于1930年代瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）提出的假设）。

从那时起，科学家们对暗物质有非常多的猜测。从未知粒子到额外维度，但没有一种假设能说明多数人。科学家们也一直试图直接观察暗物质，建造了大型设备来探测它——但到目前为止，毫无所获。

英国著名物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）曾经推测暗物质隐藏在大爆炸时形成的黑洞中。可是黑洞理论一直非常难以捉摸——在20世纪初，绝大多数人以为那只是一个数学上的有趣现象，与物理无关。但这一理论在大约10年前开始重新被重视，并展现出积极作用。

一秒钟的10的18次幂分之一

在里程碑式的2015年，研究者们发现爱因斯坦提出的引力波，是由黑洞碰撞产生的。并清楚地表明它们无处不在，几乎每个星系的中心都有一个黑洞。

宇宙中充满了黑洞，这已经是不争的事实，但是暗物质粒子从来没有被捕捉发现，尽管科学家们已经寻找了所有大家期待其可能存在的地方。这样的现状，并不是说暗物质不是粒子，也不是说它肯定是黑洞。它可能是两者的混合，黑洞可能就是暗物质承载者。

2024年6月6日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上，来自麻省理工学院研究人员的文章表明，利用霍金关于黑洞的著名计算，特别是他关于黑洞发出辐射的重要概念，推测出某些“奇异的原生黑洞”是回答暗物质问题的最合适答案。这些原生黑洞一定是在大爆炸前的10的十八次幂分之一秒出现的。这个时间点非常早，比质子和中子（构成一切的基础粒子）形成的那一刻都要早得多。

在我们的日常现实世界中，我们找不到分裂的质子和中子，它们已经是基本粒子。然而，理论上我们知道它们不是，它们应该是存在更小的粒子，例如夸克和其它我们理论推测的粒子如胶子，结合在一起而形成的。

现在，已经无法在宇宙中找到单独存在的夸克和胶子，因为太寒冷。但是在大爆炸的早期，非常火热，他们可以单独并自由的存在。因此，自由夸克和胶子形成了原生黑洞，从此“消失”在我们的宇宙世界。

这种黑洞与科学家通常在宇宙中观察到的天体物理黑洞存在根本性质的不同，因为后者是恒星坍缩的结果。此外，原生黑洞会极小——平均而言，已经凝结成单个原子的体积大小，但质量相等于一颗小行星。假如足够多数量的这些原始黑洞没有在早期大爆炸中蒸发，并存续到现在，那么它们或许就解释了什么是暗物质。

原始黑洞可能还只是暗物质的一小部分，暗物质的数量是普通物质的五倍，而普通物质是由一大堆不同的粒子形成的。那么，暗物质会是一种单一类型吗？目前也只能是一种猜测。但至少，人类已经找到了暗物质是什么的方向。