暗物質到底有多重？佔據宇宙85%的物質，到底是什麼粒子構成的
在宇宙中，你所看到的一切天體，即便它們再重，其質量加在一起也僅僅佔據了宇宙的不到15%。而宇宙中85%以上的質量，都是暗物質。
暗物質提供了引力，將星系的天體約束在一起。甚至在宇宙的早期，星系也是在暗物質的束縛下形成的。然而，除了引力之外，暗物質幾乎不與可見物質有任何直接的相互作用，這使得科學家沒有辦法直接對它進行觀測，因此至今也沒有人知道暗物質的本質是什麼。
當然了，和可見物質一樣，暗物質也是由基本粒子構成的。因此，科學家的首要目標，就是搞清楚構成暗物質的粒子，這將會有助於我們瞭解整個暗物質的特性及其在宇宙中扮演的重要角色。
最近，英國薩塞克斯大學物理學和天文學教授Xavier Calmet取得了一項重大的突破，他帶領着自己的博士生Folkert Kuipers即將在下個月的《物理快報B》上正式介紹他們的研究成果。Calmet介紹，他們的工作進一步縮小了暗物質粒子的質量範圍，這將有助於科學家們尋找這種神秘的粒子。
在此之前，科學家們已經對暗物質粒子的本質提出了多種猜想，其中有三種粒子的可能性比較高——
- 中微子：最初由泡利預言，在1958年正式被發現，幾乎沒有質量，但卻是宇宙中第二多的粒子；
- 軸子：不僅可能是暗物質粒子的本質，還是大統一理論的希望，雖然仍停留在理論層面，但近些年來人類已經發現了軸子的痕跡；
- 弱相互作用大質量粒子：簡稱WIMPs，幾乎完全存在於理論中，真正被發現的新聞非常少，只通過引力和弱核力進行相互作用。
除了它們之外，還有人提出過其他的粒子來解釋暗物質。Calmet指出，想要縮小暗物質候選者的範圍，通過實驗研究來縮小暗物質粒子的質量範圍就是一種有效的手段。那麼，他們該怎麼做呢？
正如我們反覆介紹的，暗物質僅僅通過引力與可見物質發生相互作用。因此，引力也就成為了科學家們研究暗物質的主要手段。不僅如此，Calmet還利用了量子引力概念。顧名思義，量子引力是一種試圖將量子力學和廣義相對論相結合的理論，屬於大統一理論的一部分，通過它對暗物質粒子質量進行約束，比單純使用廣義相對論要更精確一些。
我們知道，愛因斯坦的廣義相對論對於研究天體物理學來説非常重要，突破了經典力學無法解釋大質量天體和接近光速的速度的限制。而量子力學恰恰相反，是用來解釋小得不能更小的量子世界所發生的神奇現象。二者都是當今物理學最高級的理論，但是在黑洞這樣的極端環境中，二者之間的矛盾就會非常突出。
宇宙四大基本作用力中的另外三種——電磁力、弱相互作用和強相互作用都已經被量子力學成功的解釋，只有在引力方面陷入了滑鐵盧。因此，才有人提出了量子引力的理論，試圖藉此實現物理學兩大理論的統一。可惜的是，至今科學家也沒有找到足夠的證據來證明這個理論。
正因如此，科學家們也一直沒有將這個理論與暗物質聯合起來，直到Calmet進行了他們的這次研究。Calmet指出：“我們的想法其實比較簡單，但意外的是，此前從沒有人想到過這一點。”
具體來説，Calmet和Kuipers是利用科學家們根據廣義相對論的分析結果，計算出了暗物質粒子的質量和上限下限；隨後，他們利用量子引力理論，對暗物質粒子的壽命進行了約束。由於對於暗物質粒子質量範圍的估算都是來自於廣義相對論，因此這個推測是獨立於尚處於假設階段的量子引力學説的。
而另一方面，雖然量子引力效應一般來説都是微不足道的，但是如果暗物質粒子的衰變時間非常長，甚至可能和宇宙的年齡差不多，超過了100億年，那麼量子引力效應就不能忽略了。
在此之前，科學家們推測的暗物質粒子質量在10^-24eV（電子伏特）-10^19Gev之間。注意，二者之間不僅相差着幾十個數量級，甚至單位還差了一個G，也就是10的9次方。可以説，這個質量範圍簡直寬出了太陽系。
而根據Calmet的研究成果，暗物質粒子的質量被極大程度上縮小，最小為0.001eV，上限為10^7eV。在最近30年的時間裏，人們在量子引力的研究領域取得了許多的進展，也對暗物質有了更多的研究，但從沒有人將二者結合起來。而Calmet進行了這一嘗試，並且限制了暗物質粒子的質量上限和下限。
這對於人類的暗物質研究來説具有重大意義，這可以幫助科學家確定暗物質是否像此前人們普遍認為的那樣只產生引力作用，還是有另外一種神秘的力量也可以作用於暗物質之上。
Calmet説：“假如我們發現暗物質粒子的質量超出了本論文中提出的範圍，那麼我們發現的不僅僅是暗物質，還有還有非常有力的證據可以證明，還有引力以外的一種新的力作用於暗物質之上。”
作為佔據宇宙85%以上質量的暗物質，對於宇宙的發展有着至關重要的意義，直到今天仍然廣泛地分佈在宇宙的各個星系之中。儘管有些科學家仍然提出質疑，但基本上現有的觀測結果都暗示我們暗物質是的確存在的。
目前，世界各國的科學家都在努力研究這種主宰着宇宙的物質。人類如果想要了解這個宇宙，甚至在宇宙中穿梭，暗物質將是我們不得不跨越的一道坎。