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每秒有多少暗物質穿過人的身體?

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宇宙中儘管有數不清的行星、恆星、氣體、塵埃、星系,以及我們在其中發現的更多物質,但宇宙的構成超乎我們的想像。在最大的宇宙尺度上,我們在所有地方都同樣發現:沒有足夠的物質來解釋我們觀察到的引力效應。物質聚集成一個宇宙網,星系群伴隨著內部快速移動的星係而變得巨大,單個星係以巨大的速度旋轉,一直到它們的邊緣都保持很大。

如果沒有五倍於重子物質(由質子、中子和電子構成)的其他物質存在,這一切都是不可能的,這種神秘的物質被稱為暗物質。然而,如果暗物質是真實的,那就意味著我們的銀河係也有暗物質暈,其中一些暗物質經過了太陽系、地球甚至是地球上的每個人。

宇宙年輕時,一切都比現在更熱、更密集、更均勻。在早期,有一些稍微異常密度的地區,那裡的物質含量比平均水平要高。引力優先吸引更多的物質到像這樣的區域,但是輻射會把物質推回去。

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如果我們所擁有的只是正常物質和它的組成粒子來伴隨這種輻射,那麼今天存在的星系和星系團將會與我們所觀察到的完全不同。但是如果暗物質與正常物質的比例是5:1,那麼理論上,我們可以復制宇宙結構網來匹配我們的觀測結果。

暗物質存在的一個後果是,它暗示了宇宙中形成的每一個大型結構,比如一個星系,都會有一個巨大的、彌散的暗物質暈圍繞著它。在每個星系的內層,正常(基於原子)物質會聚集在那裡,因為正常物質會與自身和輻射碰撞及相互作用。但是暗物質僅僅只是穿過了一切:它本身、普通物質、光子等等。

只有在引力相互作用下,暗物質粒子才沒有辦法失去它們開始時的巨大動量。在宇宙的130多億年的歷史中,每一個暗物質粒子到現在為止可能只穿過銀河系中心十幾次。

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在最大尺度上,暗物質主宰著宇宙。但是我們現在離銀河系中心只有2.6萬光年,正常物質局部比暗物質更豐富。人類的密度與水的密度相當:每立方米1000千克(kg/m^3)。那暗物質的密度呢?

即使是基於我們能編造的最真實的模擬,我們所處地區的暗物質的局部密度要小很多倍:大約10^-21 kg/m^3。如果把地球上所有人類體內的暗物質都加起來,它也不會超過一納克(10億分之一克)。

如果把從太陽到海王星軌道中的所有太陽系暗物質加起來,總計只有大約10^17 kg,是一個略大的小行星的質量。然而,因為它沒有正常物質所進行的碰撞相互作用,它不會隨太陽系移動。它不會繞太陽轉;不會在銀河系中心隨太陽或其他恆星移動;不會待在一個平面;不會繞銀河系的圓盤旋轉。換句話說,這種物質在引力的影響下,以相對地球非常快的速度移動。

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如果想知道在給定的時間內,有多少暗物質穿過人體,只要把四個數字相乘即可,分別是暗物質的密度,暗物質可以擊中的一個人的表面積,暗物質的速度,要了解的時間段。

通常一個人的表面積是1.7平方米。由於暗物質以隨機的角度出現,經過計算估計,暗物質接觸到的大約是0.6平方米

我們的太陽係以200 km/s的速度圍繞著銀河系中心運行,但是加入暗物質後運動速度應該相對較快:接近350 km/s。總之,這意味著暗物質相對於地球上的人類來說,移動速度大約是400 km/s。而且我們可以計算任何想了解的時間段,每一秒,一年,或普通人的一生(100年)。

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雖然在任何時刻,人體內只有10^-22kg的暗物質,但更大的數量持續不斷地經過人體。每秒,每個人會經歷2.5 ×10^-16kg的暗物質穿過身體;每年,大約10^-8kg的暗物質穿過人體;在人的一生中,總共有大約1毫克的暗物質穿過身體。

事實上,這些數字不僅讓我們了解到一些關於我們身體和身體內的東西,還教會我們如何夢想著尋找暗物質。無論暗物質是由極低質量還是極高質量的粒子組成的,我們都知道暗物質穿過一個人和任何一個給定體積的探測器的質量。如果我們假定知道暗物質的質量,那我們可以計算出穿過任何物體的暗物質粒子數。

幾十年來,物理學家一直在建造更大、更靈敏的暗物質探測器,試圖探測暗物質和正常物質之間可能存在的微小的相互作用。當今最先進的探測器使用的是具有極大質量核子的原子,來尋找反沖或其他相互作用的跡象。到目前為止,所有的直接檢測技術都毫無成果。

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據我們所知,暗物質存在於各個方向上。它可能是我們肉眼看不見的,但我們能感受到它的引力。它穿過了宇宙中所有的物質,包括人類,就像它根本就不存在一樣。它除了影響彎曲時空外,不會產生任何碰撞或相互作用,它不會成堆、聚集或形成像暗原子、暗分子這樣的結構。

然而,如果暗物質哪怕有與正常物質或輻射發生碰撞的最微小跡象,我們就能探測到它。在人的一生中,大約一毫克的暗物質會穿過身體。如果有一個暗物質粒子與人體內一個質子或電子相互作用,我們就有機會探測到它。

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