来自银河系自转曲线、引力透镜、WIMP 理论、轴子、全息解释及其他方面的证据
宇宙的隐形支柱
当我们凝视星系中的恒星或测量发光物质的亮度时，我们发现它只占该星系总引力质量的一小部分。从 螺旋星系旋转曲线 到 簇碰撞 （例如子弹星团），以及来自 宇宙微波背景辐射 （CMB）各向异性 大型结构 调查得出了一个一致的结论： 暗物质（DM） 比可见物质重约一倍 五这种看不见的物质不容易发射或吸收电磁辐射，只能通过其 引力 效果。
在标准宇宙学模型（ΛCDM）中， 暗物质 大致包括 85% 所有物质的组成，对于形成宇宙网和稳定星系结构至关重要。几十年来，主流理论指出了新的 颗粒——像 WIMP 或轴子——作为主要候选者。然而， 直接搜索 到目前为止还没有发现明确的信号，促使一些研究人员探索 修正重力 甚至更激进的框架：一些人提出了一种新兴的或 全息 暗物质的起源，而极端的猜测认为我们可能存在于 模拟 或宇宙实验，其中“暗物质”是计算或“投影”环境的副产品。后一种提议虽然处于边缘，但却凸显了暗物质之谜仍未得到解决，鼓励人们以开放的心态探索宇宙真理。
2. 暗物质存在的压倒性证据
2.1 银河系自转曲线
暗物质最早的直接证据之一来自 旋转曲线 螺旋星系。根据牛顿定律，如果发光质量大部分位于半径 r 内，则恒星轨道速度 v(r) 在半径 r 处应该以 v(r) ∝ 1/√r 的形式下降。然而 薇拉·鲁宾 20 世纪 70 年代的合作者发现 旋转速度 外部区域的物质密度大致保持不变——这意味着大量不可见的质量远远超出了可见恒星盘的范围。这些“平坦”或略微下降的旋转曲线要求 暗晕 其质量比该星系所有恒星和气体的总质量还要大几倍[1,2]。
2.2 引力透镜和子弹星团
引力透镜——光因质量而弯曲——是另一种可靠的总质量测量方法，无论其是否发光。对星系团的观测，尤其是标志性的 子弹集群 (1E 0657-56) 的研究表明，根据透镜效应推断，大部分质量在空间上与热气体（即正常物质的主体）发生了偏移。这强烈表明，在星系团碰撞过程中，存在一个无碰撞的暗物质成分，能够不受阻碍地持续存在，而重子等离子体则会发生碰撞并滞后。这“确凿的证据“观察结果不能轻易用“重子”或对重力的简单修改来解释[3]。
2.3 宇宙微波背景辐射与大尺度结构
宇宙微波背景 来自宇宙微波背景辐射（COBE）、威尔逊-梅克尔-普朗克卫星（WMAP）、普朗克和其他机构的宇宙微波背景辐射（CMB）数据揭示了温度功率谱中的声学峰值。拟合这些峰值需要确定重子物质与总物质的比例，这表明约85%是非重子暗物质。同时， 大型结构 星系的形成需要无碰撞或“冷”的 DM，它很早就开始聚集，播下引力井的种子，后来吸引重子形成星系。如果没有这样的暗物质成分，星系和星团就不会这么早形成，也不会形成我们观察到的模式。
3. 主流粒子理论：WIMP 和轴子
3.1 WIMP（弱相互作用大质量粒子）
几十年来， 弱相互作用重粒子 是备受青睐的暗物质候选者。它们的质量通常在 GeV 到 TeV 之间，并且通过弱力（或略弱）相互作用，如果它们在早期宇宙中冻结，自然会产生接近观测到的暗物质密度的残余丰度。这种所谓的“WIMP奇迹”曾经看起来很引人注目，但是 直接检测 （如 XENON、LZ、PandaX）和 对撞机 大型强子对撞机（LHC）的搜索极大地限制了最简单的弱相互作用粒子（WIMP）模型。截面被推到极小的数值，接近“中微子底限”，但尚未出现明确的信号[4,5]。弱相互作用粒子仍然可能存在，但其确定性大大降低。
3.2 轴子
轴子 源于强 CP 问题的 Peccei-Quinn 解，假设为极轻（<meV）赝标量。它们可以形成宇宙级玻色-爱因斯坦凝聚态，代表“冷”DM。ADMX、HAYSTAC 等实验在强磁场下的谐振腔中寻找轴子-光子转换。尽管迄今为止尚未成功探测到轴子，但参数空间仍然很大。轴子也可能在恒星等离子体中产生，这会受到恒星冷却速率的限制。一些变体（超轻“模糊DM”）可能通过在晕中引入量子压力来帮助解决某些小尺度结构问题。
3.3 其他候选人
惰性中微子 或“温暖”的直接私信， 暗光子， 镜像世界，甚至更复杂的隐藏区域也在考虑之中。每个提案都必须符合遗迹丰度约束、结构形成数据以及直接探测（或间接探测）极限。迄今为止，标准的弱相互作用大质量粒子（WIMP）和轴子搜索掩盖了这些奇特的想法，但它们展现了构建连接已知标准模型和“暗区”的新物理学的创造力。
4. 全息宇宙与“暗物质投影”假说
4.1 全息原理
杰拉德·特·胡夫特 (Gerard 't Hooft) 和伦纳德·萨斯坎德 (Leonard Susskind) 在 20 世纪 90 年代提出了一个激进的概念， 全息原理 指出时空体积中的自由度可能被编码在低维边界上，类似于三维物体的信息存储在二维表面上。在某些量子引力方法中（e.g., AdS/CFT），引力体由边界共形场论描述。一些人将其解释为体积内部的整个“现实”从边界数据中浮现出来[6]。
4.2 暗物质能反映全息效应吗？
在主流宇宙学中，暗物质是一种 物质 与重子发生引力相互作用。然而，一种推测认为，我们所理解的“隐藏物质”可能是“信息”在边界上编码了一个较低维度的几何图形。在这些建议中：
- 我们在旋转曲线或透镜中看到的“暗物质”效应可能源于 信息化 几何现象。
- 有些型号， e.g., Verlinde 的新兴引力，尝试通过使用熵和全息论证修改大规模引力定律来模拟暗物质。
然而，这种“全息引力透镜”的理念远不如ΛCDM那样经过具体的测试，而且通常难以以同样的量化成功率完全复制星团透镜数据或宇宙结构。它们仍然处于高级理论推测的领域，连接着量子引力和宇宙加速。未来的突破可能会将这些与标准 DM 框架统一起来，或者显示它们与更精确的数据不一致。
4.3 我们处于宇宙投影中吗？
更进一步地，一些人假设整个宇宙可能是一个“模拟“ 或者 ”投影”——暗物质是模拟几何的产物，或来自“计算”环境的涌现属性。这一概念超越了标准物理学，进入了哲学或假设领域（类似于模拟假设）。由于目前尚无可测试的机制将这种想法与标准暗物质理论所契合的精确结构数据联系起来，因此它仍然是一个边缘概念。然而，它强调了在探索宇宙奥秘的过程中保持开放心态的动力。
5. 我们可能是一个人工模拟或实验吗？
5.1 模拟论证
哲学家和技术梦想家（e.g（Nick Bostrom）推测，先进文明可以模拟整个宇宙或大规模的社会。如果是这样，我们人类或许 数字生物 在宇宙计算机中。在这种情况下，暗物质可能是代码中涌现或“编程”的现象，为星系提供引力支架。模拟的“创造者”可能选择了暗物质的分布来产生有趣的结构或高级生命形式。
5.2 银河儿童科学项目？
或者，人们可能会想象我们是一个 实验室实验 在某个外星孩子的宇宙课堂上——教师手册里写着“添加暗物质晕以确保稳定的盘状星系”。这个充满趣味却又极具推测性的场景，表明了人们可以超越标准科学到何种程度。虽然无法验证，但它强调了一个完全不同的视角：我们测量的定律（例如暗物质比或宇宙常数）可能是人为设定的。
5.3 神秘与创造力的融合
虽然这些场景没有直接的观察证据，但它们凸显了一种好奇心：因为 暗物质 暗物质尚未被发现，它是否反映了一些我们尚未猜到的更深层次的现象？或许有一天，一个“啊哈！”的瞬间或新的观测特征会澄清一切。与此同时，主流的严肃方法将暗物质视为真实存在的、未被发现的粒子或新的引力定律。但对另类宇宙幻象或人造概念进行思考，可以保持想象力的丰富，防止人们沉溺于标准模型。
6. 修正引力与暗物质
虽然主流调查发现 暗物质 作为新物质，一些理论家主张 修正重力 一些框架（MOND、TeVeS、涌现引力等）试图复制暗物质现象。子弹团簇的偏移、大爆炸核合成的约束以及来自宇宙微波背景辐射（CMB）的清晰证据都强烈支持暗物质成分的存在，尽管一些创造性的类似MOND的扩展模型尝试了部分解决方案。目前，带有暗物质（DM）的标准ΛCDM在多个尺度上仍然更为稳健。
7. 寻找暗物质：现在和未来十年
7.1 直接检测
- XENONnT、LZ、PandaX：数吨重的氙探测器旨在将 WIMP 核子截面灵敏度推至 10 以下-46 厘米2。
- SuperCDMS，雪绒花：用于低质量 DM 检测的低温固体。
- 轴子晕镜（ADMX， 干草塔克）扫描更宽的频率范围。
7.2 间接检测
- 伽马射线 望远镜（费米-LAT， H.E.S.S.，CTA）检查银河系中心、矮星的湮灭信号。
- 宇宙射线 光谱仪（AMS-02）寻找来自 DM 的反物质（正电子、反质子）。
- 中微子观测站可能会看到太阳或地球核心捕获的来自 DM 的中微子。
7.3 对撞机生产
大型强子对撞机 （欧洲核子研究中心）以及未来计划中的对撞机，正在探索缺失的横向动量或与DM耦合的新共振。目前尚无确凿证据。高亮度LHC的升级和潜在的100 TeV FCC或许能够探测更深的质量尺度或耦合。
8. 我们的开放态度：标准+推测
鉴于缺乏直接或确凿的间接检测，我们仍然对多种可能性持开放态度：
- 经典 DM 粒子：WIMP、轴子、惰性中微子等。
- 修正重力：新兴框架或 MOND 扩展。
- 全息宇宙：也许是边界纠缠、引力涌现产生的暗物质幻觉。
- 模拟假设：可能整个宇宙“机器”是一个先进的人工环境，其中“暗物质”是一种计算或“投影”产物。
- 外星儿童科学项目：这是一个古怪的场景，但强调了任何尚未测试的东西仍然处于猜测的范围内。
大多数科学家强烈支持存在真实的物理 DM 物质，但非凡的奥秘可以打开想象或哲学角度的大门，提醒我们继续探索各种可能性。
9. 结论
暗物质 就像一个令人难忘的谜语：强大 观察 数据需要一个主要的质量成分，而发光物质或标准重子物理学无法解释。主流理论围绕着 粒子 暗物质，包括弱相互作用大质量粒子（WIMP）、轴子或隐藏区，已通过直接探测、宇宙射线和对撞机实验进行了测试。然而，尚未出现确凿的信号，这促使人们进一步扩展模型空间并开发更先进的仪器。
与此同时，更多 异国情调 猜测—— 全息 宇宙或宇宙模拟——尽管并非主流科学——也表明了我们有限的优势。它们强调“暗区”可能比我们想象的更加奇异或突现。最终，揭示暗物质的身份仍然是天体物理学和粒子物理学的首要任务。无论是作为一种新的基本粒子被发现，还是某种关于宇宙本质的更深层次的发现， 时空 或者 信息 这还有待观察，推动我们以开放的心态去探索宇宙隐藏的质量，或许，去探索我们在更大的宇宙挂毯中的位置——无论是真实的还是模拟的。
参考文献及延伸阅读
- 鲁宾，VC， & Ford，WK（1970）。 “通过对发射区域的光谱调查了解仙女座星云的旋转。” 《天体物理学杂志》， 159，379–403。
- Bosma，A.（1981）。 “螺旋星系的21厘米线研究。I. 九个星系的旋转曲线。” 天文学 &天体物理学， 93，106–112。
- Clowe，D.，等人（2006）。 “暗物质存在的直接经验证明。” 天体物理学杂志快报， 648，L109–L113。
- Bertone，G.，Hooper，D.， & Silk，J.（2005）。 “粒子暗物质：证据、候选者和限制。” 物理报告， 405，279–390。
- 冯建林（2010）。 “来自粒子物理学和探测方法的暗物质候选者。” 天文学和天体物理学年度评论， 四十八，495–545。
- Susskind，L.（1995 年）。 “世界就像一张全息图。” 数学物理学杂志， 三十六，6377–6396。