我來嘗試簡單解釋一下,。暗物質(zhì)的概念是用來解釋所有觀察到的星系（銀河系，仙女座星系等）中,，恒星圍繞星系中心公轉(zhuǎn)速度過快的問題,。

這里不需要高深的數(shù)學(xué)推導(dǎo),。以我們周圍的太陽系為例，離太陽遠(yuǎn)的行星受到太陽的引力小,，公轉(zhuǎn)速度就會(huì)低,，而離太陽近的行星受到引力大，公轉(zhuǎn)速度就高,。同樣的道理適用于星系,，距離星系中心遠(yuǎn)的恒星公轉(zhuǎn)速度應(yīng)該低。而實(shí)際觀察結(jié)果是,，恒星公轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)高于計(jì)算值,。這個(gè)計(jì)算值是根據(jù)星系中所有已知物質(zhì)（恒星，黑洞,，星云等）質(zhì)量所能產(chǎn)生的引力總和得出的,。科學(xué)家的推論是,，應(yīng)該有其他物質(zhì)提供了額外的引力,。而這樣的物質(zhì)有怎么也觀察不到，所以就把它叫做暗物質(zhì),。

這里的邏輯很簡單,，星系應(yīng)該提供了比觀察到的物質(zhì)更大的引力 -》星系中有更多沒有觀察到的物質(zhì)。怎么能說是“憑空推斷”,？

科學(xué)研究就是一個(gè)觀察-假設(shè)-證偽的過程,。如果一個(gè)假設(shè)可以解釋觀察到的現(xiàn)象，目前沒有被證偽,，并且還可以解釋以后觀察的其他現(xiàn)象,，那他就是一個(gè)有效的假設(shè)。我想題主的看法來自暗物質(zhì)假設(shè)和直觀感受的沖突：應(yīng)該到處都是,，為什么觀察不到,。事實(shí)上，二十世紀(jì)以來的物理學(xué)進(jìn)步,，大多數(shù)都是違反人類的直觀感受的,，如相對(duì)論，量子力學(xué),，超弦,。如果被限制于直觀感受，我們的物理學(xué)也就止步于經(jīng)典體系了,。在我看來,，“到處都是”和“觀察不到”的巨大反差恰好是物理進(jìn)步的巨大機(jī)會(huì)。

物理假設(shè)被證偽的確實(shí)不少，像熱質(zhì),，以太,，然而成功的也很多。現(xiàn)在觀察不到,，并不意味著以后也找不到,。希格斯波色子從預(yù)言到證實(shí)不是也花了50多年嗎？

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反正是做科普,，就多加幾條,。
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一。 為什么說暗物質(zhì)是物理學(xué)重大突破的機(jī)會(huì)的,？

我們觀察不到暗物質(zhì)，只有如下3種可能,。
1. 暗物質(zhì)是宇宙中過于黑暗,，所以難以觀察的天體，向黑洞,，棕矮星等,。
2. 粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型錯(cuò)了或者很不完善，漏掉了組成物質(zhì)85%的粒子,。
3.引力在大尺度下運(yùn)作方式和我們想象的不一樣,。

事實(shí)上，第一種可能已經(jīng)基本否定了,。黑暗的天體雖然看不到,，但是我們可以通過引力透鏡間接知道它的存在。經(jīng)過近年的觀察,，科學(xué)家已經(jīng)排除了這種可能,。

如果證實(shí)是第二種可能，我們就有機(jī)會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型做出重大改進(jìn),，這對(duì)粒子物理和量子物理的影響深遠(yuǎn)毋庸置疑,。

如果是第三種，我們對(duì)引力的認(rèn)識(shí)不對(duì),，也就是說,，廣義相對(duì)論錯(cuò)了。這對(duì)物理學(xué)的影響甚至?xí)筮^第二種情況,。

二,。暗物質(zhì)在天文物理研究中的應(yīng)用

目前，科學(xué)家已經(jīng)用暗物質(zhì)的概念來解釋宇宙的結(jié)構(gòu),。從大尺度上看,，宇宙體現(xiàn)出如下圖類似蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，稱為宇宙網(wǎng)（Cosmic Web）,。每一個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)星系（不過在圖中看不見）,。較大的光斑是大規(guī)模的星系群,。蛛絲一樣的細(xì)線是沒有形成星系的氫和少量星系。

現(xiàn)在對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是,，暗物質(zhì)按照這個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布,，形成了宇宙網(wǎng)的骨架。它提供引力,，讓所有的星系附著在骨架上,，構(gòu)成了整個(gè)宇宙的物質(zhì)分布。

另外暗物質(zhì)對(duì)上述我們現(xiàn)有宇宙的產(chǎn)生也有不可缺少的貢獻(xiàn),。大爆炸后,，氫和氦按各向同性分布于宇宙空間，不足以提供足夠的引力集中構(gòu)成星系乃至點(diǎn)燃恒星,。這里缺少的引力也是暗物質(zhì)提供的,。

雖然在確定觀察到暗物質(zhì)以前，這些都是假說,。但是它們和觀察計(jì)算結(jié)果十分吻合,，也增加了科學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)假說的信心。

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多維（>3）空間和暗物質(zhì)
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有少數(shù)物理學(xué)家確實(shí)持有這種觀點(diǎn),，認(rèn)為有可能是來自其他維度的引力給了我們暗物質(zhì)的假象,。其實(shí)，多維空間的假想由來已久,。早在上世紀(jì)20年代,，就有物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家提出了五維空間的概念，作為一個(gè)統(tǒng)一引力和電磁力的嘗試,。引力和其他三種基本力（強(qiáng),，弱，電磁力）的一個(gè)重大區(qū)別就是特別弱,。如用磁鐵就可以吸起一個(gè)鐵釘,，說明一小塊磁鐵產(chǎn)生的磁力就注意對(duì)抗整個(gè)地球產(chǎn)生的引力。他們的觀點(diǎn)是引力可以跨越維度發(fā)生作用,，所以大部分引力都泄漏到其他維度去了,，剩余在這個(gè)三維空間的引力就很少了。雖然后來這個(gè)理論被發(fā)現(xiàn)不準(zhǔn)確,，但是多維空間的概念卻被繼承下來,。

現(xiàn)在比較流行的多維空間的假想來自由超弦理論擴(kuò)展出來的M－理論。超弦理論提出了九維空間（或十維時(shí)空）,，但是有6個(gè)維度卷曲在亞原子的微觀結(jié)構(gòu)中,，我們無法感知。而M－理論提出我們的宇宙存在于一層膜上（難以理解的話，不妨想象為二維的膜）,。而其他的膜上存在著其他的宇宙,。所以M－理論也是一種多宇宙的理論。

現(xiàn)在回來說暗物質(zhì),。如果兩層膜距離很近的話,，引力可以從一個(gè)宇宙影響另一個(gè)宇宙，這樣就產(chǎn)生了我們觀察到的暗物質(zhì)現(xiàn)象,。這里說的距離是另一個(gè)維度的距離,，就算只有1厘米，我們也是看不見的,。

雖然超弦和M理論都比較流行,，但是大多數(shù)物理學(xué)家都不看好它能解釋暗物質(zhì)，因?yàn)樗募僭O(shè)條件過于嚴(yán)格,，比如膜之間的距離很小,，引力只能泄漏一點(diǎn)而不能太多，并且計(jì)算結(jié)果是否和觀察到的宇宙結(jié)構(gòu)能否吻合也不清楚,，等等，因此我也沒有把他列為上面的可能之一,。

雖然多維空間是一個(gè)物理愛好者們（像我這樣的）十分感興趣的話題,，但是我們也應(yīng)該看到物理研究中的多維理論比簡單的在三維空間中加一個(gè)維度要復(fù)雜得多。那么我們的空間是不是一個(gè)簡單的四維或更高維的空間（注：我這里知識(shí)討論空間,，沒有把時(shí)間加上去）,，只是我們觀察不到呢？我在《一分鐘物理》中看到這個(gè)有趣的問題,。

可能扯的有點(diǎn)遠(yuǎn)了,，但是我還是覺得值得分享一下：為什么太陽系，銀河系都是扁平的,？

在太陽系還未形成的時(shí)候,，是一個(gè)不規(guī)則的氣體團(tuán)。相互碰撞的粒子沿著三維空間的每一個(gè)方向繞著中心旋轉(zhuǎn),。數(shù)學(xué)計(jì)算表明,，總有一個(gè)平面，使得所有粒子都有一個(gè)在這個(gè)平面上旋轉(zhuǎn)的速度分量,。隨著粒子碰撞,，其他方向上面的速度／動(dòng)量都相互抵消了，最后只剩下在這個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)的速度,。最后太陽系,，銀河系，乃至其他星系變成了扁平的形狀。

這和多維空間有什么關(guān)系呢,？問題是,，在四維空間中，有兩個(gè)這樣的平面,，導(dǎo)致粒子無法進(jìn)入一個(gè)扁平結(jié)構(gòu),，也無法凝聚成恒星，行星,，我們也不會(huì)存在了,。這表明，我們的宇宙中（可能大家會(huì)比較失望）,，三維以上的維度很可能不存在,。