神秘的暗物质

我们时常会忽略那些不感兴趣的事物：划过黑暗夜空的流星；丛林漫步时，尾随身后的小动物；路过城镇时，那些宏伟建筑的细节之美……所有这些，即使它们在我们的视野之内，我们也时常会忽略它们。我们的身体是细菌的“殖民地”：10倍于人体细胞的细菌细胞居住在我们体内，帮助我们生存下去。然而，我们几乎不会意识到这些微生物的存在，它们却可以帮我们吸收营养、促进消化。只有当这些细菌使我们生病时，我们才会意识到它们的存在。

为了了解这些事情，你必须深入观察，而且你必须知道如何观察。至少从原则上看，这些现象是可以被看到的。想象一下，在理解某个你无法看到的事物时，会有多困难。暗物质就是其中之一。在宇宙中，我们难以找到它，它和我们理解的普遍物质仅仅有着微不足道的相互作用。在这一章中，我将会列举很多测量证据，天文学家和物理学家通过它们来证明暗物质的存在。我还将从以下几个方面介绍一下这个难以被找到的物质：它是什么，它为什么看起来如此复杂，而从某些重要的角度看，它为什么又如此简单。

暗物质

在宇宙中难以被找到的东西，它和我们理解的普遍物质仅仅有着微不足道的相互作用。暗物质可以直接通过我们的身体，也存在于外部世界中。我们无法察觉到暗物质。至少在人们目前能够探测到的程度上来看，暗物质不与光相互作用。

尽管互联网是一个能够承载数十亿人同时在线的巨大载体，但社交网站上的大多数人并不会直接接触，甚至连间接接触都没有。参与者往往只与志同道合的人做朋友，追踪那些有相似兴趣的人，只关注那些能够代表他们自己个体世界观的新闻媒体。正是因为这种有限制的接触，在线网民被分割成许多不同的、而且不相互接触的人群。在这个人群中，他们之间几乎很难遇到持反对意见的观点，甚至朋友的朋友也不会因为相反意见而争论。所以，大多数网民对持不同观点的陌生群体毫不关心。

人类并不是故步自封的物种，但当谈到暗物质时，我们的确有点愧疚。暗物质并不是普通物质社会网络中的一部分。它存在于我们现在还不知道如何进入的某个“网络聊天室”中。它存在于相同的宇宙中，甚至占据着和可见物质一样的空间。暗物质粒子与普通物质通过一种我们觉察不到的方式相互作用着。就如同那些我们忽略掉的互联网社群一般，除非被告知它就是暗物质，否则，我们在日常生活中并不会感觉到它的存在。

就像我们体内的细菌一样，暗物质正好就是我们眼前众多宇宙中的一个。就像那些微生物一样，它们就在周围。暗物质可以直接通过我们的身体，也存在于外部世界中。然而我们不会注意到它的任何影响，因为它的作用非常弱，因而形成了独特的一类，完全和普通物质分隔开来。

暗物质是很重要的一类。然而，和细菌细胞不同——细菌尽管很多，也仅仅占人体体重的1%或2%；暗物质却占到宇宙物质成分的85%。在你身边的每一立方厘米空气中，就包含有一个质子重量的物质。这个数值的大小依赖于你如何看它。这意味着，如果构成暗物质的粒子的质量和普通物质的粒子质量相当，并且如果这些粒子按照我们所理解的动力学所期望的速度运动的话，那么每一秒钟会有几十亿个物质粒子通过人的身体，而没有人注意到它们。虽然有几十亿个暗物质粒子，但它们对我们的影响依旧微不足道。

我们无法察觉到暗物质。至少在人们目前能够探测到的程度上来看，暗物质不与光相互作用。暗物质不是由像普通物质一样的材料所构成的，不是由原子或者我们熟知的不与光相互作用的基本粒子构成的，而光是我们了解事物本质的主要因素。我和同事最希望解决的谜团就是，暗物质具体是由什么构成的。它包含一类新型粒子吗？如果包含，那么其性质是什么？除了引力之外，它还有任何其他相互作用吗？如果我们走运的话，在现在的试验中暗物质粒子或许会表现出一些异常微小的电磁相互作用力，只是它还太小，我们目前还无法探测到。专门的探测器一直在搜寻（我将会在第三部分解释如何搜寻），但到目前为止，暗物质依旧不为人类所见。以目前探测器的灵敏度，暗物质的效应还没有影响到探测器。

当大量暗物质聚集到一起时，其净引力效应非常巨大，对恒星和周围的星系存在可观测的影响。暗物质会影响宇宙的膨胀，也会影响从遥远天体到达地球的光线的路径，还会影响围绕星系中心

运动的恒星轨道，以及许多其他让我们确信它存在的可观测现象。暗物质的确存在，因为它们具有一些可测量的引力效应。

尽管暗物质不能被看到，也不能被觉察到，它却在宇宙结构的形成过程中扮演着举足轻重的角色，暗物质是这个结构中还未被理解的大多数事物。就如建造金字塔、修高速公路或者组装电器的工人，即使拥有决定权的精英看不到他们，但他们对于文明的发展与进步却极为重要。正如在我们身边其他一些被忽略的人群一般，暗物质对我们的世界来说非常重要。

如果暗物质在早期宇宙中不存在，那么我们现在就不会在这里品头论足，更不要说得到宇宙演化的一致性图景。没有暗物质，宇宙就不会有足够的时间形成现在的结构。暗物质团块作为种子，促进了银河系和其他星系或者星系群的形成。没有星系，就不会有恒星，也不会有太阳系，当然也不会有生命。即使到今天，星系以及星系团能够保持完整还要归功于暗物质的整体作用。如前文所言，如果暗物质盘存在的话，暗物质或许与太阳系的轨迹有关。

但我们并没有直接观察到暗物质。科学家们已经研究了很多形式的物质，对于其组成的研究，都是利用某种形式的光，或者从更为广泛的意义上来说，是利用电磁辐射来观测的。电磁辐射在光学频率上表现为光，在我们所能够看到的有限频率范围之外，它们表现为无线电波或者紫外辐射等。或者在显微镜下，或者利用雷达装置，或者利用一幅照片上的光学成像，这种效应都可以被观察到。但无论如何，电磁效应总是会涉及其中。尽管很多情况下带电粒子和光会直接作用，但并非所有的相互作用都是直接的。在粒子物理学标准模型中的粒子（也是构成物质最基本的组成部分），它们之间相互作用很强，所以即使光不是它们的“直接朋友”，也至少是所见物质的“朋友的朋友”。

不仅仅是视觉，我们的其他感官（触觉、嗅觉、味觉和听觉）也都依赖于原子的相互作用，这种相互作用依赖于和一些带电粒子的相互作用。而且触觉也依赖于电磁震动和相互作用。人类的感受都是基于一定的电磁相互作用，我们无法通过常规方式直接探测到暗物质。尽管暗物质就在周围，但我们不能够看见或者感受到它。当光照射到暗物质上的时候，它没有任何反应——光仅仅是穿过而已。

从来没有人看到过（或者感觉到或者闻到过）暗物质，所以每次我和人们谈起暗物质的时候，他们对暗物质的存在都很吃惊，并且觉得它很神秘，甚至会觉得这可能是一个错误。通常人们问得最多的问题就是：作为比普通物质总量多5倍的物质，传统的望远镜探测怎么可能探测不到它呢？我个人期望的正好相反，但必须承认，并非所有人都这么认为。如果我们用眼睛看到的物质就是所有存在的物质，那么这对我来说更是不可理解的。为什么我们会有完美的感官，让我们直接感受到所有事物？几个世纪以来，物理学教给我们的最大的经验就是，有如此之多的物质是人类看不到的。从这个角度来看，这个问题就变成了：为什么我们所了解的事物就应该占有那么多的宇宙能量密度？

对一些人来说，尤其是对于暗物质怀疑论者，暗物质听起来非常怪异。但与修改引力定律相比，提出暗物质存在的建议并不草率。尽管我们的确对暗物质不熟悉，但还是有一个尚可的传统解释，它和现有的所有物理定律完全一致。为什么遵循所有已知物理定律的物质就应该表现得和普通物质一样？简明地说就是，为什么所有的物质都应该与光相互作用？暗物质可以是那些有不同电荷或者根本就没有电荷的物质。因为没有电荷或者没有与带电粒子的相互作用，暗物质就不能吸收或者发射光子。

我对“暗物质”的名字有点想法。我对它的“物质”部分没有问题，暗物质的确是一种物质，这就意味着它能够成团并且施加引力效应，就像其他所有物质一样通过引力相互作用。物理学家和天文学家依赖于这种相互作用的多种方式，探测到了它的存在。但它名字中的“暗”在我看来是不合适的。通常情况下，我们看见暗的东西是因为光被吸收了。另外，这个不吉祥的标签掩盖了它实际的威力，并产生了更大的负面效应。暗物质并不暗，它是透明的。暗的物质吸收光，而透明的物质是“无视”光的。光能够击中暗物质，但不管是物质还是光，都不会因此而改变。

在一次会议中，有很多不同领域的人参加。会上我碰到了一位专注于品牌营销的专家马西莫。当我告诉他我的研究领域时，他难以置信地看着我并问道：“为什么叫暗物质？”他的反对并不是针对科学，而是针对这个名字背后不必要的负面含义，尽管并不是每一个和“暗”相关的名字都具有负面意义，比如“黑暗骑士”（Dark Knight）指的就是一个好人。与电影《黑暗阴影》（Dark Shadows）、《黑暗物质》（His Dark Materials）、《变形金刚3：月黑之时》（Transformers：Dark of the Moon）、达斯·维德（Darth Vader）的《力量的黑暗面》（Dark Side of the Force）中使用的“暗”相比，“暗物质”中的“暗”还是非常温和的。尽管我们对黑暗的事物有许多不好的想象，但暗物质和它的名字并没有什么关系。

然而，暗物质的确和那些邪恶之物有着一个共同特征：它藏在我们的视线之外。从这个意义上来说，“暗物质”的名字起得很恰当，因为无论如何加热暗物质，它都不会发光。从这种意义上而言，它的确是暗的，但不是从不透明的意义上而言的，而是从发射光或者反射光的的意义上而言的。没有人能够直接看到暗物质，甚至利用显微镜或者望远镜也不能。就如同许多电影或者小说中的邪恶精灵一般，它的不可见性反而起到了保护性作用。

马西莫觉得“透明物质”这个名字更好，至少不会那么吓人。尽管从物理学的角度来说这是对的，但我并不认同。“暗物质”即使不是我最喜欢的称呼，却也吸引了相当的注意力。无论如何，如果数量不是非常庞大的话，暗物质既不邪恶也不强大。它和普通物质的相互作用非常小，所以找到它非常困难。这也是它为什么如此有趣的部分原因。

黑洞

黑洞是一类太多物质被挤压到一块非常小的区域之内时，所形成的天体。没有任何事物，包括光，能够逃脱其强大引力场的影响。黑洞会吸收光和任何非常靠近它的物质。它既不辐射，也不向外反射光。但是黑洞和暗物质是完全不同的概念，这一点不应该混淆。

通常除了上面提到的听起来不好的影响之外，“暗物质”的名字还会导致一些混淆。比如，许多人都不能区分暗物质和黑洞。黑洞是大部分同类物质被集中挤压到一块非常小的区域之内时，所形成的天体。没有任何事物，包括光，能够逃脱其强大的引力场。除了在“黑色”上类似之外，黑洞与暗物质、黑墨水以及黑色电影没有更多相似之处。暗物质与光不发生作用，黑洞会吸收光和任何非常靠近它的物质。所有进入其中的光都在里面，所以黑洞是黑色的——它既不辐射，也不向外反射光。因为任何形式的物质都能够坍缩成黑洞，所以暗物质或许与黑洞的形成也有关系。但黑洞和暗物质是完全不同的概念，这一点不应该混淆。

另外一个更深的误解是由“暗物质”这个名字而引起的。宇宙的另外一个成分叫作暗能量，这个名字的选择也很有问题，人们时常将它和暗物质混淆。尽管它又偏离了我们的主题，但对于当今的宇宙学，暗能量是一个非常重要的部分。所以我现在需要再澄清一下。

暗能量不是物质，它仅仅是能量。即使没有真实的粒子或者其他形式的物质在周围，暗能量也是存在的。它并不像普通物质结块成团，它渗透于宇宙的各个角落。暗能量的密度在各个地方都是均匀一致的。它与暗物质非常不同，暗物质能够聚集成物体，在不同地方的密度会不一样。暗物质和普通物质非常相像，它们会被限制在恒星、星系和星系团等之内。而暗能量的分布总是均匀的。

暗能量随时间保持常数，这一点与物质和辐射不同。随着宇宙膨胀，暗能量并不会被稀释，这是它比较稳定的性质。暗能量不会被粒子或者物质所携带，它的密度不随时间发生改变。基于这个原因，物理学家们时常称这种能量为宇宙学常数。

在宇宙演化早期，多数宇宙能量由辐射所携带。但辐射比物质稀释得更快，所以物质最终将超过辐射，成为宇宙能量最大的贡献体。在宇宙演化的晚期，物质和辐射被稀释，但暗能量永远不会被稀释，因此暗能量逐渐占据主导地位，现在大约占宇宙能量密度的70%。

在爱因斯坦提出相对论之前，人们认为只有相对能量，也就是两个不同系统之间的能量差别。但在知道了爱因斯坦的理论之后，我们知道能量的绝对值本身也是有意义的，并能够产生一种引力效果，它能够让宇宙坍缩或者膨胀。量子力学和引力理论表明，暗能量应该存在，并且爱因斯坦的理论告诉我们，它有一些物理效应。所以，对于暗能量的最大疑团并不是它为什么能够存在，而是为什么它的密度如此之低。知道了它的主导地位，这看起来或许不再是个问题。尽管暗能量现在构成了宇宙能量密度的大多数，但也是在物质和能量被宇宙的膨胀极大稀释之后，并且它也只是在最近才开始与其他类型的能量相竞争。在宇宙早期，相比较更大的辐射和物质的贡献，暗能量的密度比重是极其微小的。在不知道测量结果的情况下，物理学家原本估计的暗能量密度比测量结果大120个数量级，这让人很吃惊。宇宙常数如此之小的问题已经让物理学家困惑了好多年。

暗能量

暗能量不是物质，它仅仅是能量。即使没有真实的粒子或者其他形式的物质在周围，暗能量也是存在的。它并不像普通物质结块成团，它渗透于宇宙的各个角落。暗能量的密度在各个地方都是一样的，而暗能量的分布总是均匀的。

许多天文学家认为，我们现在生活在一个宇宙学复兴的时代。在这个时代，理论与观测已经推进到了这样一个阶段：精确校准的检验将能够帮助我们确认哪个想法在宇宙中被实现了。然而，考虑到暗能量和暗物质的主导地位，以及为什么有如此之多的普通物质能够留存到现在的谜团，物理学家们也开玩笑说，我们居住在一个黑暗时代。

对于每一个宇宙研究者而言，也正是上面这些谜团让这个时代更加激动人心。尽管科学家们在理解黑暗成分时已经取得了很大进展，但依旧有很多问题摆在我们面前，等待着我们去解决。对于像我这样的研究人员来说，这种状况再好不过了。

或许有人会说，那些研究黑暗成分的物理学家正在以一种更为抽象的方式参与一场哥白尼式的革命。不仅地球不是宇宙的中心，而且构成我们的物质也不是组成宇宙能量的核心，甚至对于绝大多数物质而言也不是。人们研究的第一个宇宙天体就是地球，它是人类最为熟悉的天体；物理学家也曾致力于研究构成我们自身的物质，因为对我们的生活来说，这是最易获取、最明显和最必要的。尽管探索地球上具有地理变化和挑战性的地域并不容易，但是相比较更远的对应天体（比如，太阳系的外边缘区域或更远），全面了解地球仍然是更方便、更容易的。

尽管区分出普通物质的最基本组成也非常困难，对它的研究却比研究透明但不可见的暗物质要容易得多，即使暗物质存在于我们周围。现在的情况正在发生改变。暗物质的研究变得前途无量，因为它能够被传统的粒子物理学解释，并可以被目前正在运行的很多实验探测器探测到。尽管相互作用非常弱，科学家未来10年应该有一个真正的机会，识别并且推断出暗物质的本质。由于暗物质会聚集成星系和其他结构，接下来对于星系和宇宙的观测将允许物理学家和天文学家通过更新的方式来测量它。而且，正如我们即将见证的，或许暗物质甚至可以解释太阳系的一些特殊性，比如与小行星撞击以及生命在地球上的演化进程相关的特性。暗物质在宇宙中并没有被分隔开来（它是真实存在的），所以“进取号”飞船（Starship Enterprise）^[2]不会把我们带到那里。或许，依靠目前已有的理论和技术，暗物质有望成为最后的科研前沿——至少是下一个非常令人振奋的科研前沿。