暗黒物質は宇宙全体に存在しているのに、なぜ人間はそれを知覚できず、その存在を知ることができないのでしょうか?

この問題を明らかにするには、まず次の 3 つの基本的な質問を明らかにする必要があります。1. 人間は世界をどのように認識するのか? 2. 暗黒物質はどのように存在するのか? 3. 人類は暗黒物質の存在を感じたことがありますか?

これら 3 つの小さな問題が明確になれば、大きな問題は解決されます。ここで、私の意見についてお話ししたいと思います。つまり、私自身の理解を通じて、既知の科学的常識を一般の方と分かりやすい形で共有したいのです。

まず、人間が世界をどのように認識しているかについて話しましょう。この世界には、強い力、弱い力、電磁力、重力の 4 つの基本的な力があり、これらを総称して強い力、弱い力、電磁力、重力と呼びます。これら 4 つの力がこの世のすべての動きを支配します。あなた、私、彼のこの世界におけるすべての活動を含め、すべては包括的であり、これら 4 つの基本的な力から切り離すことはできません。

人間は主に電磁力を通じて世界を認識しますが、電磁力は日常生活で最も一般的な力です。電磁力を電流や無線周波数の影響として狭く理解しないでください。私たちが理解しているかどうかに関わらず、すべての化学的および物理的現象は電磁力の現れです。

なぜそう言うのでしょうか?強い力と弱い力は原子レベルと原子以下のレベルでのみ作用するため、原子レベルを超えて存在することはありません。重力はどこにでも存在し、質量があるところには重力がありますが、重力は 4 つの力の中で最も弱い力です。重力によって地球の表面に吸着されていることを除けば、人間がそれを普通に感じるのは難しいです。

このように、私たち人間は、食べること、飲むこと、排便、排尿、じっと座ること、人と会うこと、話すこと、握手することなど、世界のあらゆる側面を、すべて電磁力の相互作用を通じて直接認識しています。

理論的には、電磁力は、電磁場を通じて伝達される荷電粒子または磁気モーメントを持つ粒子間の相互作用であり、ローレンツ力としても知られ、伝達媒体は光子です。私たちは、この世界のすべての物質は原子で構成されており、原子は原子核と電子で構成されていることを知っています。原子自体は電荷を帯びていますが、原子核と電子の正電荷と負電荷は等しいため、原子は中性に見えます。

原子が衝突して接触すると、接触している原子の表面の電子が相互作用し、電磁力刺激が発生し、それが私たちに感覚を与えます。人間の視覚、聴覚、嗅覚、触覚、思考はすべて電磁力の結果です。

視覚は光子の伝達に依存しています。聴覚は伝達媒体内の分子や原子の振動によって伝達される機械波です。匂いは、空気中に揮発した物質の分子や原子が人間の嗅覚器官に接触し、電気刺激を発することで生じます。触覚は摩擦の現れであり、これは体の表面の分子と他の物体の分子との接触によって生成される電磁力の伝導の結果である。思考は神経細胞やシナプスなどの構造における脳波の動きの結果です。

さまざまな電波、光、熱など、私たちが接触するすべてのものは電磁力の結果です。電磁力の強さは強い力に次いで大きいです。理論上、その伝播距離は無限なので、望遠鏡を通して130億光年以上離れた銀河を見ることができます。

理論的には、物質が電磁力を持ち、光子と相互作用できる限り、人間が発見したり見たりすることができます。物体が光の下で反射、屈折、回折する場合、それは人間の目や電磁気機器で捉えることができます。あるいは物質の原子や分子と相互作用し、観察したり感じたりすることもできます。

しかし、暗黒物質には電磁力はまったくありません。まず第一に、暗黒物質は光子と相互作用せず、光の下では反射、屈折、散乱、回折を一切発生しません。光に対して完全に透明であり、人間の目では観察できません。これは少なくとも、それが原子や素粒子などの荷電した基本粒子で構成されていないことを示しています。なぜなら、これらの粒子が荷電している限り、それらは電磁力によって束縛され、分子、原子、陽子、電子、光子などのさまざまな荷電粒子と相互作用するからです。

これに基づくと、暗黒物質は目に見えないだけでなく、人間の触覚、聴覚、嗅覚によっても感知できないことになります。つまり、理論的には、暗黒物質は私たちの周りに存在しているが、私たちはそれを知覚することができないのです。

科学界は長年の観察と研究を経て、宇宙の可視物質と不可視物質について比較的正確な計算を行いました。つまり、宇宙全体において、可視物質は総質量とエネルギーのわずか4.9%を占め、不可視物質の質量とエネルギーは95.1%を占めているということです。なぜ総質量エネルギーと呼ばれるのでしょうか?目に見えない質量やエネルギーのすべてが暗黒物質というわけではないからです。暗黒物質はわずか 26.8% を占める一方、暗黒エネルギーは 68.3% を占めます。

暗黒物質と暗黒エネルギーは宇宙において対立し戦う役割を果たしています。暗黒物質は、物体を引き寄せて一体化させる重力効果を持っています。ダークエネルギーは物体を反発させたり膨張させたりする膨張効果を持っています。一方は引っ張って集約し、もう一方は反発して拡大します。二つの勢力はゲームをしてきた。現時点ではダークエネルギーが勝者ですが、最終的に誰が勝つかはまだ予測できません。

重力の大きさは質量に比例します。暗黒物質は可視物質と不可視物質の 84.5% を占め、銀河の重力を支配しています。一方、暗黒エネルギーは宇宙の膨張を支配しています。その質量エネルギーは暗黒物質の2倍以上です。したがって、暗黒物質の重力によって宇宙が縮小することはない。むしろ、宇宙全体は暗黒物質によって支配されており、膨張傾向を示しています。

暗黒物質も暗黒エネルギーも電磁力を持っていないため、どちらも直接観測することはできません。

では、人類はどのようにして暗黒物質の存在を知るのでしょうか?前述のように、暗黒物質には電磁力がないため、電磁力と相互作用することはありませんが、質量があり、その質量は可視物質の質量をはるかに超えています。重力の大きさは質量に比例します。つまり、質量が大きいほど重力も大きくなります。こうすれば、この目に見えない悪魔は隠れることができません。

これはちょっとブラックホールのようなものです。ブラックホールの極めて強い重力により、その影響圏（シュワルツシルト半径）に入った光は脱出できず、ブラックホールは人間には見えません。しかし、ブラックホールの極めて強い重力により、ブラックホールに近づく天体は容赦なく引き裂かれ、飲み込まれてしまいます。

このプロセスの間、物質はブラックホールの重力によって細かく引き裂かれ、ブラックホールの事象の地平線（つまり、ブラックホールのシュワルツシルト半径に落ちる前の臨界点）の周りを高速で回転します。素粒子に引き裂かれた物質は衝突の際に光速に近い速度でまばゆい光と高エネルギー線を放出し、人間が観測することができます。

したがって、人間は間接的にブラックホールを「見る」ことができます。

暗黒物質についても同様です。星間空間に広く存在し、質量も大きいため、発生する重力は非常に強く、周囲の空間や時間に影響を与えます。天体の動きは重力によって支配されており、その運動状態は質量によって計算できることがわかっています。異常が発生した場合は、重力理論に問題があるか、天体の動きに影響を与えるまだ発見されていない何かがあるかのどちらかです。

多くの天文学者は、いくつかの巨大な星団やその他の天体の動きが、目に見える質量によって引き起こされる影響と一致しないことを発見しました。この現象は宇宙のあらゆる方向と距離でランダムに発生しており、重力理論に問題がある可能性は否定できません。したがって、科学者は宇宙には目に見えない物質が存在すると信じる傾向があります。

1922年、オランダの天文学者ヤコブス・カプタインは、星の動きを観察することで、星の周りに目に見えない物質が存在する可能性を間接的に推測しました。 1933年、スイスの天文学者フリッツ・ツビッキーはスペクトル赤方偏移を利用して、かみのけ座銀河団内の各銀河の銀河団に対する移動速度を測定し、銀河の分散が大きすぎること、銀河団内の可視物質の質量によって発生する重力だけではこれらの銀河を銀河団内に制限できないことを発見しました。

このことから、ツヴィッキーは銀河団には大量の暗黒物質が存在し、その質量は可視領域の質量の100倍以上あると推測した。その後、多くの科学者がそのような結果を観察し検証し、間接的に暗黒物質の存在を検証しました。

その後、アインシュタインの一般相対性理論に基づいて、光が質量の大きい物体に近づいたり通過したりすると、光は曲がって拡大されることが発見されました。彼はこの効果を重力レンズ効果と呼び、宇宙にそのような重力レンズが存在すると予測しました。

このレンズはアインシュタインリングと呼ばれています。

1979年、天文学者たちは米国のキットピーク天文台の2.1メートル望遠鏡を使用して、重力レンズ効果によって形成されたクエーサーの二重像を初めて観測しました。 1998年、ハッブル望遠鏡は初めて完全なアインシュタインリングを観測し、B1938+666と名付けられました。それ以来、重力レンズは次々と発見されてきました。

2007年、ハッブル宇宙望遠鏡は、直径260万光年のCL0024+17銀河団内の暗黒物質リングの画像を発見しました。この効果は、銀河団内に膨大な量の暗黒物質が存在する場合にのみ達成され、暗黒物質の存在を示すより強力な間接的証拠となります。

この重力レンズ拡大効果のおかげで、人類は私たちからどんどん遠くにある星や銀河を発見してきました。たとえば、これまでに発見された最も遠い星であるWHL0137-LSは、ビッグバンから9億年後に誕生し、その光が地球に届くまでに129億年かかりました。

「モーニング スター」というニックネームを持つこの星は、巨大な銀河団 WHL0137-08 の重力レンズ効果によって私たちに見えます。重力レンズ効果は1,000倍に達し、そうでなければ「明けの明星」を見ることはできないでしょう。レンズの役割を果たすこの銀河団は、目に見える質量だけに頼ってこれほど巨大なレンズ効果を得ることはできませんが、それはそこに含まれる大量の暗黒物質のおかげです。

暗黒物質とはいったい何でしょうか？将来的にはそれがわかるようになるでしょうか?科学界は暗黒物質が何であるかに関してまだ合意に達していない。かつてニュートリノが暗黒物質である可能性を疑った人もいましたが、後にこれは否定されました。ニュートリノは基本的に光子と相互作用せず、電磁力もほとんどありませんが、まったく存在しないわけではありません。まだほんのわずかですが、100億個に1個のニュートリノが物質と相互作用し、人間が検出できる余地が残っています。

さらに、宇宙にはニュートリノが多数存在しますが、その質量の割合は非常に小さく、わずか 0.0034% です。ニュートリノは弱い相互作用で生成されます。太陽の核反応は毎秒10^38個のニュートリノを生成します。ニュートリノは基本的に物質と相互作用しないため、光速に近い速度で妨げられることなく地球に到達し、その後地球を通過して遠くへ飛んでいきます。

昼夜を問わず毎秒、太陽から発せられる約100兆個のニュートリノが人間の体を通過しますが、人間は何も感じません。しかし、ニュートリノにはまだ痕跡が残っているため、科学者たちはすでにそれを捕らえ、さらに徹底的に研究しています。では、暗黒物質の候補となる他の粒子は何でしょうか?

科学界は、ニュートラリーノを含む WIMP、余剰次元理論における最小のカルツァ＝クライン励起状態粒子、リトルヒッグス模型における T 奇粒子など、弱い相互作用範囲の質量を持つ粒子に注目してきました。非常に軽い中性粒子であるアクシオンも存在し、これも有力な候補です。

しかし、これらの粒子はまだ推測の領域にしか存在せず、確認も発見もされていません。

現在、世界中の科学者たちがさまざまな方法を駆使して、目に見えない悪魔、暗黒物質を特定しようと試みています。主な方法は、1.直接検出、つまり、空中、地下、氷の奥深くにある3次元検出システムを通じて、検出器によって捕捉された候補粒子を直接発見することを目的としています。 2. 間接検出は、暗黒物質の崩壊または消滅後に生成される通常の物質信号を探すことです。 3. 人工的な生成、つまり粒子加速器などの装置を通じて、暗黒物質を除去するための新しい粒子が生成される。

暗黒物質が出現する日は、人類の宇宙理解における大きな進歩となり、人類の文明がより高いレベルにアップグレードされる日となることが予測されます。それで、人類はできるだけ早く暗黒物質を発見できるのでしょうか?どのくらい時間がかかりますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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