暗物質(zhì)，就其本質(zhì)而言，是看不見(jiàn)的，用望遠(yuǎn)鏡也無(wú)法觀察暗物質(zhì)，粒子物理學(xué)家也沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)。那么，為什么大多數(shù)科學(xué)家及主流理論都相信并支持宇宙的大部分質(zhì)量是由暗物質(zhì)組成，而不是由恒星、行星和我們天空中所有其他可見(jiàn)物體組成的常規(guī)物質(zhì)？

要回答這個(gè)問(wèn)題，需要理解暗物質(zhì)能做什么，不能做什么，理解它潛伏在宇宙中的什么地方，并意識(shí)到“暗”只是謎題的開(kāi)始。

暗物質(zhì)故事從速度和引力開(kāi)始，在整個(gè)宇宙中，我們看到物體在引力的影響下在軌道上運(yùn)行，就像地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)一樣，太陽(yáng)也繞著銀河系的中心轉(zhuǎn)。將天體保持在軌道上所需速度是質(zhì)量和距離的函數(shù)。例如，在太陽(yáng)系中，地球以每秒30公里的速度運(yùn)行，而最遙遠(yuǎn)的行星則以每秒數(shù)公里的速度磨蹭。銀河系非常巨大，所以太陽(yáng)以每秒230公里的速度運(yùn)行，盡管距離銀河系中心有26700光年。然而，當(dāng)我們離銀河系中心更遠(yuǎn)時(shí)，恒星的軌道速度大致保持不變，這是為什么？

與太陽(yáng)系不同，我們的太陽(yáng)系質(zhì)量是由太陽(yáng)主導(dǎo)，銀河系的質(zhì)量分布在數(shù)千光年之間。當(dāng)一個(gè)移動(dòng)到離銀河系中心更遠(yuǎn)的地方時(shí)，包圍在這個(gè)半徑內(nèi)的恒星和氣體就會(huì)增加。這個(gè)額外的質(zhì)量能解釋銀河系中最遙遠(yuǎn)恒星的巨大速度嗎？這也不完全是。在20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家維拉·魯賓(Vera Rubin)測(cè)量了仙女座星系的軌道速度，距離該星系核心7萬(wàn)光年。值得注意的是，盡管這一距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了仙女座的大部分恒星和氣體，但軌道速度仍然保持在250公里/秒左右。

這種現(xiàn)象也不是個(gè)別星系所獨(dú)有，早在20世紀(jì)30年代，瑞士裔美國(guó)天文學(xué)家弗里茨·茲維基(Fritz Zwicky)發(fā)現(xiàn)，在星系團(tuán)內(nèi)運(yùn)行的星系運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于預(yù)期。到底怎么回事？一種可能是大量看不見(jiàn)的質(zhì)量延伸到恒星和氣體之外，這也許就是暗物質(zhì)。事實(shí)上，Zwicky，Rubin和隨后幾代天文學(xué)家的研究表明，宇宙中的暗物質(zhì)比傳統(tǒng)物質(zhì)更多（至于暗能量，那就完全是另一回事了）。值得注意的是，我們無(wú)法看到或探測(cè)暗物質(zhì)提供了關(guān)于它如何行為的線索。除了引力之外，暗物質(zhì)與自身和常規(guī)物質(zhì)之間的相互作用一定很少。

否則我們就會(huì)檢測(cè)到它發(fā)出光，并與其他粒子相互作用。由于暗物質(zhì)大多單獨(dú)通過(guò)引力相互作用，因此它具有一些奇怪的性質(zhì)。太空中的熱氣云可以通過(guò)發(fā)光而失去能量，從而冷卻下來(lái)。足夠大質(zhì)量和足夠冷的氣體云可以在自身引力下塌縮形成恒星。相比之下，暗物質(zhì)不會(huì)因發(fā)光而失去能量。因此，雖然傳統(tǒng)物質(zhì)可以塌縮成致密的物體，如恒星和行星，但暗物質(zhì)仍然更彌散，這解釋了一個(gè)明顯的矛盾。雖然暗物質(zhì)可能主宰著宇宙的質(zhì)量，但科學(xué)家并不認(rèn)為在我們的太陽(yáng)系中有太多暗物質(zhì)。

模擬成功

由于暗物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)完全由引力控制，因此，通過(guò)解析和模擬來(lái)建模也相對(duì)容易。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，已經(jīng)有了暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)量的公式，這也恰好預(yù)測(cè)了大質(zhì)量星系和星系團(tuán)的數(shù)量。此外，模擬可以模擬整個(gè)宇宙歷史中結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)模擬不僅適合數(shù)據(jù)，它還具有預(yù)測(cè)能力。有沒(méi)有暗物質(zhì)的替代？科學(xué)家利用引力推斷它的存在，但如果對(duì)引力的理解是錯(cuò)誤的呢？也許引力在很遠(yuǎn)的距離上比我們想象的更強(qiáng)。

有幾種不同的引力理論，莫爾德?！っ谞柛窳_姆的修正牛頓動(dòng)力學(xué)(Mond)是最著名的例子。如何區(qū)分暗物質(zhì)和修正的引力？在大多數(shù)理論中，引力傾向于質(zhì)量。因此，如果沒(méi)有暗物質(zhì)，引力就會(huì)向傳統(tǒng)物質(zhì)拉動(dòng)，而如果暗物質(zhì)占主導(dǎo)地位，那么引力將主要向暗物質(zhì)拉動(dòng)。所以應(yīng)該很容易分辨出哪個(gè)理論是正確的，但不完全是，因?yàn)榘滴镔|(zhì)和常規(guī)物質(zhì)大致上是彼此相隨，但也有一些有用的例外，一起粉碎氣體和暗物質(zhì)的云，就會(huì)發(fā)生一些奇妙的事情。

氣體碰撞形成一個(gè)單一的云，而暗物質(zhì)粒子只是在引力的影響下繼續(xù)移動(dòng)，當(dāng)星系團(tuán)以極快的速度相互碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。那如何測(cè)量碰撞星系團(tuán)中的引力？引力不僅對(duì)質(zhì)量有這種“拉力”，而且對(duì)光也有拉力，所以扭曲的星系圖像可以追蹤力拉力（在相對(duì)論中這是扭曲空的結(jié)果）。在碰撞的星系團(tuán)中，引力會(huì)拉向暗物質(zhì)應(yīng)該在的地方，而不是傳統(tǒng)的物質(zhì)。

時(shí)間的漣漪

不僅可以看到今天暗物質(zhì)的影響，還可以看到遙遠(yuǎn)的過(guò)去，就在宇宙大爆炸之前。宇宙微波背景，大爆炸的余輝，可以從四面八方看到，在這宇宙大爆炸中，可以看到漣漪，時(shí)間的漣漪通過(guò)電離氣體傳播的結(jié)果。這些漣漪是早期宇宙中引力、壓力和溫度相互作用的結(jié)果。暗物質(zhì)有助于引力，但不像常規(guī)物質(zhì)那樣對(duì)溫度和壓力做出響應(yīng)，因此漣漪的強(qiáng)度取決于常規(guī)物質(zhì)與暗物質(zhì)的比例。正如預(yù)期的那樣，衛(wèi)星和地面天文臺(tái)對(duì)這些漣漪的測(cè)量顯示，宇宙中存在比常規(guī)物質(zhì)更多的暗物質(zhì)。

那有答案了嗎？暗物質(zhì)肯定是答案嗎？大多數(shù)天文學(xué)家會(huì)說(shuō)，對(duì)于我們?cè)谟钪嬷锌吹降脑S多現(xiàn)象，暗物質(zhì)是最簡(jiǎn)單和最好的解釋。雖然最簡(jiǎn)單的暗物質(zhì)模型存在潛在的問(wèn)題，例如小型衛(wèi)星星系的數(shù)量，但它們是有趣的問(wèn)題，而不是引人注目的缺陷。但事實(shí)仍然是，還沒(méi)有直接探測(cè)到暗物質(zhì)。這并不是特別困擾科學(xué)家，因?yàn)槲锢韺W(xué)已經(jīng)有了粒子的歷史，這些粒子已經(jīng)花費(fèi)了幾十年的時(shí)間才能直接探測(cè)到。如果20年后我們還沒(méi)有檢測(cè)到暗物質(zhì)，可能會(huì)擔(dān)心，但現(xiàn)在的暗物質(zhì)理論才是真正的最佳答案。

博科園｜文：Michael J. I. Brown/The Conversation

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