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什么是暗物质呢？：狭义的暗物质是不参与电磁相互作用的物质，人的肉眼看不见，光学望远镜、射电望远镜之类基于电磁波的设备也看不见。不过，人类可以借助弱相互作用和引力相互作用观测到这些暗物质，也可以通过电磁相互作用观测暗物质对其它物质的影响而间接观测暗物质[1]。
上述定义并不排除“暗物质有可能参与弱相互作用”之类。人类已经知道中微子不参与电磁相互作用而参与弱相互作用。人类修建的暗物质粒子探测设备在基本排除宇宙线与自然本底辐射影响后也确实观测到一些东西撞击原子核产生的信号，它的变化规律不能归结到太阳系内已知天体的活动上。
广义的暗物质是在我们目前的条件下不能靠电磁波观测的物质，包括重子暗物质和非重子暗物质[2]。重子暗物质是参与电磁相互作用的，例如非常稀薄的星际分子云、附近缺乏光源的星际行星和褐矮星、遥远的晕族大质量致密天体[3]。你的身体也主要是重子物质。
观测不到一部分重子物质，是因为对我们手里的望远镜来说目标在其距离上看起来光度太低，而它实际上未必暗到哪去[4]。
非重子暗物质的类别
你有时候会在科技新闻里看到“非重子暗物质”“冷暗物质”之类词语。非重子暗物质是不参与电磁相互作用的物质，也就是狭义的暗物质，可根据运动速度分为热暗物质、温暗物质、冷暗物质。
●热暗物质粒子的运动速度接近真空光速，例如中微子。中微子可以被专门设计的大科学装置观测，例如日本的超级神冈探测器。
1998年，超级神冈探测器首次发现了中微子震荡的强烈证据，其观测到了μ子中微子转变为τ子中微子的现象，显示中微子具有质量。梶田隆章在该年的“中微子物理学·宇宙物理学国际会议”上发表该结果，以此研究获得2015年诺贝尔物理学奖。
●温暗物质粒子的运动速度足以产生相对论效应，但距离真空光速尚远，例如惰性中微子[5]，在标准模型里它只参与引力相互作用；
●冷暗物质粒子的运动速度远低于真空光速，目前认为可能由大质量弱相互作用粒子（例如最轻的超中性子[6]）组成，也有轴子等假说（一些学者对轴子的存在很没有信心，2020年底大规模的轴子验证实验最终得到了零结果，意味着轴子即使存在，也比过去预测的更难探测）。
当然，足够多的重子暗物质可以直接覆盖冷暗物质的功能。也有一些学者希望用大量的原初黑洞来解释暗物质。
为何引入暗物质的概念
引入暗物质的概念是为了解释星系自转问题等表现出异常引力的观测事实，不同星系自转的情况有差异，有些需要的暗物质含量几乎为零，有些则异常多。暗物质也在大尺度结构形成过程的模拟中成功解释了星系团动力学，并正确地预测了引力透镜观测的结果。
在历史上，最早提出暗物质相关证据的是扬·亨德里克·奥尔特，在1932年他根据银河系恒星的运动提出银河系应该有更多的质量。
1933年，弗里茨·兹威基在研究后发座星系团时，使用维里定理推断其内部有看不见的质量。
1959年，Louise Volders指出螺旋星系M33的转动不遵循开普勒定律[7]。
到了1970年代，这情况扩展至许多其他的螺旋星系。
本来，人们觉得在螺旋星系盘面上的物质（例如恒星和气体）环绕星系中心核球旋转的轨道应该与太阳系的行星一样遵循牛顿力学，在足够远的距离上，天体的平均轨道速度应该依照质量分布递减，与轨道距离的平方根成反比。而观测事实是，中心核球外的轨道速度相对于距离几乎是个常数。
薇拉·鲁宾推测在远离星系中心的地方有不发光的庞大质量拉住星系外侧的物质，在1980年将结果发表为一篇有影响力的论文[8]：
2006年，美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-558进行观测，无意间发现这个星系团是两个大星系团碰撞形成的，此撞击使暗物质与正常物质分开，成为暗物质存在的直接证据[9]：Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.钱德拉望远镜利用X射线探测到的灼热气体在这张照片中显示为两个粉红色团块，包含了这两个星系团中大部分常规物质。蓝色则是其大部分质量所在的地方，这是由引力透镜效应显示的：来自遥远物体的光被质量引起的空间弯曲所扭曲，扭曲程度大大超过热气体造成的影响。而这部分质量并不发出可见光。
在碰撞过程中，热气体会发生相互作用而受到阻力，而不参与电磁相互作用的暗物质不会因撞击而减慢，造成暗物质与常规物质分离。
科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系几乎没有暗物质。
由R. Jay GaBany, Spitzer Legacy Program, GALEX Nearby Galaxy Survey – http://www.cosmotography.com/images/small_new_m94_announcement.html
与此同时，蜻蜓44等星系的暗物质含量达到了物质的300倍左右[10]。“宇宙的固有性质”是不能一会有效一会无效的。这就说明暗物质不是“空间的固有性质”“距离产生的观测偏差”之类。
要假定暗物质不存在，能接替的已知手段有：修改引力理论，建立完善的量子引力理论，将额外的引力场归结于量子真空，或者选择等离子宇宙论。
●等离子宇宙论假定宇宙中99%的物质是等离子态、电磁力在大尺度上压倒引力并决定星系的自转等现象。这是非标准宇宙论，在暴涨宇宙论的各种铁拳证据面前很难站得住。
●所有对引力动手的办法都是在牛顿和爱因斯坦的基础上修修补补来解释星系自转问题，但它们会带来更多的问题。
●量子引力是统一引力与量子力学的重要理论，但目前还没建立起来。
用暗物质能干什么
目前人类无法利用中微子之外的暗物质。关于利用中微子，主要有：
●中微子可以贯穿天体而只失去很少的能量，观测包括太阳在内的天体发射的中微子帮助我们加深对宇宙的认识。太阳中微子的数量和能量帮助科学家假定太阳内部发生的核反应的类型，质子-质子链反应和CNO循环对应的中微子都已经被人类观测到[11]。
●研究中微子震荡矩阵中的宇称破缺可能导向重要的新物理。
●中微子在发射量与粒子能量超大的时候可以作为武器、贯穿地球去轰击敌人，尤其对内爆式钚弹和靠其引爆的热核武器有特效，在不能杀人的照射强度下就可以让这些核武器失去功能。但这需要建造非常巨大的加速器。
●比这种武器的能量低一些的中微子可以对地球和其它天体的内部结构进行断层摄影，可以借此在地球上寻找油田或地震先兆等，也可以用于远程通讯。但这一切都需要建造非常大的加速器。
对中微子进行探测和研究的大型项目，例如即将投入运行的江门地下中微子实验观测站和正在建设的欧洲KM3NeT，是目前较有希望的暗物质观测计划。中微子探测器极高的灵敏度和为排除宇宙线·本底辐射干扰而施加的厚重防护也适于探测意料之外的新发现，例如速子、额外次元、微黑洞、惰性中微子和其它暗物质粒子。对中微子振荡的研究本身就可能导向惰性中微子存在的证据[12]。
中微子探测器也能用于天文观测。2018年7月12日，冰立方中微子天文台宣布于2017年9月侦测到1颗来自37亿光年外的猎户座耀变体TXS 0506+056的中微子。这是人类第一次使用中微子探测器来定位太空中的物体。
计划中的精密冰立方中微子观测站升级将允许检测低能量中微子来尝试确定中微子质量等级、检测τ中微子、寻找大质量弱相互作用粒子湮灭。IceCube-Gen2的远景规划也已经提出来了。
目前还没有探测宇宙中微子背景辐射的方案，这也是今后可能的方向。
●在中微子之外，目前人类不知道不参与电磁相互作用的暗物质到底是什么粒子，大质量弱相互作用粒子、轴子等假说还未证实，而且由观测事实可以推出这些东西即使存在，在银河盘内的含量也颇为低下（其主体在银河系的暗物质晕里，距离银河系中心数十万光年），靠现在的技术无法利用。
●即使有办法将重子物质转换成暗物质，引力作用不达到非常大的质量是很微弱的，弱相互作用更是贫弱，难以利用——当然，你可以将围绕它们发论文、申请经费、建造大科学装置视为用途，并期待在深入研究之后发现新的用途，尽管这很没有保证。
●广义上的目前无法用电磁波观测的暗物质里有一部分是距离太阳系十分遥远的重子物质组成的低温天体、稀薄星际气体和黑洞，对我们现有的航行能力水平来说无法靠近，也就无法利用。
参考
- ^人类修建的暗物质粒子探测设备在基本排除宇宙线与自然本底辐射影响后已经观测到一些东西撞击原子核产生的信号，它的变化规律不能归结到太阳系内已知天体的活动上。
- ^http://pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-dark-matter.pdf
- ^（中小型黑洞、中子星、较暗的白矮星）
- ^要知道，以我们现在贫弱的观测能力，100光年内可能还有尚未发现的若干颗红矮星及围绕它们运转的大量行星。
- ^https://science.sciencemag.org/content/317/5844/1527.abstract
- ^超对称假设的一种马约拉纳费米子 https://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356v5
- ^http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=1959BAN
- ^https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ…238..471R
- ^https://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/
- ^2016年的观测数据认为有一万倍，2020年的最新数据是300倍左右 http://dx.doi.org/10.1093/mnras/staa3016
- ^https://doi.org/10.1038/s41586-020-2934-0
- ^https://arxiv.org/abs/1805.12028
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