物质是什么？它并不像你想象的那么基本。

宇宙中略少于三分之一（约 31%）的物质是由物质构成的。一项新的计算证实了这一数字；天体物理学家长期以来一直认为，除了有形物质之外，还有其它东西构成了我们现实的绝大部分。那么，物质到底是什么呢？

爱因斯坦狭义相对论的一大特点是质量和能量密不可分。所有质量都具有内在能量；这就是爱因斯坦著名的 E=mc ²方程的意义所在。当宇宙学家称量宇宙时，他们同时测量了质量和能量。其中 31% 是物质，无论是可见的还是不可见的。

这种差异是关键：并非所有物质都是一样的。事实上，只有极少数物质构成了我们能看到或触摸到的物体。宇宙中充满了比这更奇怪的物质。

物质是什么？

当我们想到“物质”时，我们可能会想象我们看到的物体或它们的基本构成要素：原子。

多年来，我们对原子的概念一直在演变。历史上的思想家们都曾模糊地认为，存在可以分为基本组成部分。但与现代原子概念类似的概念通常归功于英国化学家约翰·道尔顿。1808 年，他提出，物质是由不可分割的粒子组成的。不同的基本物质（即元素）是由具有不同大小、质量和特性的原子产生的。

道尔顿的周期表包含 20 种元素。将这些元素组合起来可以产生更复杂的化合物。当化学家德米特里·门捷列夫于 1869 年构建原始周期表时，他列出了 63 种元素。今天我们已经列出了 118 种元素。

但要是真的这么简单就好了。自 20 世纪初以来，物理学家们就知道原子中隐藏着更小的构造块：旋转的带负电的电子和被笼罩的原子核，它们由带正电的质子和中性中子组成。我们现在也知道，每种元素都与具有一定数量质子的原子相对应。

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但事情并没有那么简单。到本世纪中叶，物理学家意识到质子和中子实际上是更小的粒子（称为夸克）的组合。确切地说，质子和中子都含有三个夸克：物理学家称之为重子的结构类型。因此，质子、中子以及它们形成的物质——我们日常生活的物质——通常被称为“重子物质”。

天空中的奇怪物质

在我们的日常生活中，重子物质通常以四种状态存在：固体、液体、气体和等离子体。

再说一遍，物质并不是那么简单。在极端条件下，它可以呈现出各种更奇特的形式。在足够高的压力下，材料可以变成超临界流体，同时是液体和气体。在足够低的温度下，多个原子会聚结在一起，形成玻色-爱因斯坦凝聚态。这些原子表现得像一个整体，以各种奇怪的量子方式发挥作用

这种奇异状态并不局限于实验室。看看中子星就知道了：它们的不死核心质量不够大，在超新星爆炸时不会坍缩成黑洞。相反，当它们的核心坍缩时，强大的力量会撕裂它们的原子核，并将碎块挤压在一起。结果本质上是一个巨大的中子球——质子吸收电子，在此过程中变成中子——而且密度非常大。一勺中子星的重量就达十亿吨。

仅银河系就可能存在数亿颗中子星。一些科学家认为，在它们的中心深处，压力和温度也足以将中子撕裂。这些中子可能会破坏形成它们的夸克。

物理学家研究中子星是为了了解这些物体以及宇宙之初发生的事情。我们周围看到的物质并非一直存在；它是在大爆炸之后形成的。在原子形成之前，质子和中子独自在宇宙中游动。甚至更早，在质子和中子出现之前，一切都是过热的夸克浆液。

科学家可以在粒子加速器中以某种方式重现这种状态。但这种状态会在持续几分之一秒的瞬间消失。这与寿命极长的中子星无法相比。“你有一个基本上永远存在的实验室，”圣地亚哥州立大学物理学家弗里多林·韦伯说。

宇宙大格局中的物质

在过去的几十年里，天文学家已经开发出多种方法来了解宇宙的基本参数。他们可以检查宇宙的大尺度结构，并识别他们能看到的物质密度的细微波动。他们可以观察物体的引力如何弯曲经过的光线。

测量物质密度（即宇宙中可见物质和不可见物质的比例）的一种具体方法是分析宇宙大爆炸的宇宙微波背景。从 2009 年到 2013 年，欧洲航天局的普朗克天文台利用宇宙微波背景辐射，为科学家提供了迄今为止最准确的物质密度计算结果：31%。

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最新研究采用了一种称为质量丰富度关系的另一种技术，本质上是检查星系团，计算每个星系团中有多少个星系，以此计算每个星系团的质量，并逆向计算物质密度。这项技术并不新鲜，但到目前为止还很原始、不完善。

加州大学河滨分校天体物理学家吉莉安·威尔逊 (Gillian Wilson) 表示：“据我所知，这是我们在工作中第一次使用质量丰富度关系得到与普朗克非常一致的结果。”威尔逊是发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文的作者之一。 9月13日。

但请记住，事情没那么简单。只有一小部分（大约占物质的 15%，或宇宙的 3%）是可见的。大多数科学家认为，其余部分是暗物质。我们可以探测到暗物质在引力中留下的涟漪。但我们无法直接观察它。

因此，我们不确定暗物质到底是什么。一些科学家认为暗物质是重子物质，只是我们无法轻易看到的形式：例如，也许是在早期宇宙中形成的黑洞。另一些人认为暗物质由与我们熟悉的物质几乎不发生相互作用的粒子组成。一些科学家认为暗物质是这些粒子的混合物。至少有一些科学家认为暗物质根本不存在。

如果它确实存在，我们可能会用新一代望远镜看到它，例如 eROSITA、鲁宾天文台、南希·格雷斯·罗曼太空望远镜和欧几里得望远镜，这些望远镜可以扫描宇宙的更大范围，并在宇宙历史的不同时期看到更多种类的星系。加州大学河滨分校天体物理学家、另一位作者穆罕默德·埃尔·哈沙什说：“这些新调查可能会改变我们对整个宇宙（及其物质）的理解。”“这是我个人的期望。”