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第2章
你现在就在暗物质中畅游
根据我们有限的知识，宇宙中物质和能量的比例是这样的：
物理学家相信，在已知宇宙的物质和能量中，有27%是所谓的“暗物质”，这个比例令人吃惊。这意味着宇宙中的大部分物质不是人们已经研究了几个世纪的东西。这种神秘物质是我们熟悉的普通物质的5倍之多。事实上，说我们的物质“普通”并不公平，因为它们在宇宙中其实相当罕见。
那么暗物质是什么？它危险吗？它会把你的衣服弄脏吗？我们怎么知道它存在呢？
暗物质无处不在。事实上，你现在就在暗物质中畅游。暗物质的存在于20世纪20年代最早被人提起，但直到20世纪60年代才真正引起注意，因为那时的天文学家发现，星系的自转和质量令人困惑。
为了理解暗物质和星系自转的联系，你可以想象一整袋放在转盘上的乒乓球，如果转盘转动，你一定能想象出乒乓球会如何从边缘被甩出去。自转的星系差不多就是这个样子
。因为星系在旋转，所以里面的恒星有被甩出去的趋势。把它们束缚在一起的东西只有星系里这些物质产生的引力（引力把有质量的东西拉到一起）。星系自转越快，就需要越多的质量来拉住这些恒星。反过来讲，知道了星系的质量，你就能推测星系的自转有多快。
一开始，天文学家尝试通过星系中恒星的数量猜测星系的质量。但是，当他们用这个数字计算星系的自转速度时，有些东西就对不上了。测量显示，从恒星数量推测出的转动速度低于星系实际的转动速度。换句话说，这些恒星本应从星系的边缘飞出去，就像转盘上的乒乓球。为了让这个速度合理，天文学家必须在计算中让星系大大增加质量，这样才能把这些恒星拉拢在一起。但是人们看不见这些额外的质量从何而来。如果每个星系都有某种很重的东西，但是这种东西不可见，那么事情就说得通了。
这个推断非常特别。著名的天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）曾经说过：“特别的推断需要特别的证据。”因此，这个奇怪的难题在天文学界存在了数十年，一直没有得到解答。随着时间的推移，越来越多的人接受了这种神秘、不可见，还很重的东西（暗物质）的存在。
有一个重要的线索使科学家相信暗物质真的存在，那就是暗物质使光线弯曲的观测现象。所谓的引力透镜，说的就是这个。天文学家有时会在天文观测中发现一些奇怪的东西。他们会在某一个方向上看到一个星系的图像，这倒没有什么奇怪的。但是，稍微移动一下望远镜，他们就会看见另外一个一模一样的星系，两个星系的形状、颜色、光线都一样，天文学家确定它们是同一个星系
。但是这怎么可能呢？同样的星系怎么可能在天空中出现两次？
如果有某种非常重（而且不可见）的东西处在你和这个星系之间，那么这种现象就有了合理的解释：这个不可见的重块充当了一个巨型透镜，弯曲了从星系发出的光线，从而使光线看似来自两个方向。
你可以想象一下光线从星系各个方向发出的样子。现在，画两个光粒子，也就是所谓的光子，让它们从星系出发，然后朝着你的身体两侧飞去。如果在你和星系之间有某种非常重的东西，那么天体的引力会扭曲它周围的空间，使光粒子的运动轨迹发生弯曲并且朝向你。
在地球上，你从望远镜里看到同一个星系的两个像，它们来自两个不同方向。这种效应在整个夜空中到处都是，非常重的不可见物质似乎无处不在。暗物质的存在不再是一个疯狂的想法。无论看向哪里，我们都能找到它存在的证据。
关于暗物质的存在，最令人信服的证据来自人们观测到的一次大规模星系碰撞。几百万年前，两个星系团冲向对方，发生了“史诗级”碰撞。我们不可能看到这次碰撞，但是这个过程发出的光要花几百万年才能到达地球，我们可以舒服地坐在这里观看结局。
当两个星系团碰撞时，它们的气体和尘埃会呈现壮观的景象。在巨大的爆炸中，巨大的尘埃云被撕裂。这是一场带有特殊效果的“豪华演出”。你可以想象两大堆水气球以近乎疯狂的高速撞向对方，那景象或许能帮助你想象星系团的碰撞。
但是天文学家注意到了另一个现象。在碰撞地点附近，他们发现了两团巨大的暗物质。当然，暗物质是不可见的，但是天文学家发现，附近星系发出的光被暗物质团块扭曲了，这就证明了暗物质的存在。这两团暗物质沿着碰撞的方向运动，好像什么事都没发生过。
天文学家把这些信息放到一起，梳理了一番。曾经有两个星系团，每一个都包含常规物质（主要是气体、尘埃、恒星）和暗物质。当两个星系团碰撞时，大部分的气体和尘埃撞到了一起（你能想象的普通物质当然会这样）。但是暗物质撞进另外一团暗物质中会怎样呢？人们什么都探测不到！暗物质团块会继续运动，穿过对方，就好像它们都是透明的。两堆恒星也会互相穿过，但那是因为它们在太空中太稀疏了。
比许多星系还大的巨大物质团块就这样互相穿过了。从本质上讲，碰撞将星系中的气体和尘埃剥离了。
暗物质肯定是存在的，而且它很奇怪，和我们所熟悉的东西不太一样。关于暗物质，我们知道：
·它有质量。
·它不可见。
·它喜欢和星系待在一起。
·普通物质碰不到它。
·其他暗物质也接触不到它。
·它的名字很酷。
至此，你或许在想，天哪，我要是由暗物质构成的就好了，我会成为一个了不起的超级英雄。难道不是吗？好吧，也许只有我们这样想。
关于暗物质，我们还知道一点，那就是它并非躲在远处。暗物质倾向于聚集在一起，形成一个大质量团块，并且飘浮在宇宙空间中，和星系在一起。这意味着，此时此刻你很可能就待在暗物质中。而就在你看书时，暗物质很可能正在穿过书和你。但是，如果它就在我们周围，为什么它还是个谜？为什么我们无法看见和触摸不到暗物质？一件东西明明就在那里，我们却看不到，这怎么可能呢？
研究暗物质非常困难，因为我们和它没有多少相互作用。我们看不见它（所以它“暗”），但是我们知道它有质量（所以它是“物质”）。为了解释这一切，我们先回顾一下普通的物质是如何相互作用的。
物质的相互作用有四种主要方式。
如果两个东西有质量，那么它们就会对彼此有这种吸引力。
如果两个粒子带有电荷，那么这两个粒子之间就会产生电磁力。这种力可以让它们相互吸引，也可以让它们相互排斥，这取决于两个电荷的电性。
实际上，你每天都会在生活中感受到这种力。你用手按住这本书，这本书并不会被压垮，你的手也不会穿过纸张，因为书的分子通过电磁力的作用紧密结合在了一起，同时会排斥你的手。
电磁作用和光、电、磁有关。后面我们还会谈到光，以及粒子和力的深层联系。
这种力在很多方面和电磁力相似，但它弱得多。比如，中微子就是通过这种力与其他粒子（微弱地）相互作用的。在能量非常高时，这种很弱的力会变得像电磁力一样强。事实上，这一点已经得到了证实，就是这种弱作用组成了电磁作用。
这是在原子核内把质子和中子黏在一起的力。没有了它，原子核内带有正电荷的质子会互相排斥，最后四散而逃。
需要注意的一个重点是，我们这是在描述这几个力。在某种程度上，物理学和植物学相似。我们目前还不知道这些力为什么会存在。我们只是记下了我们观察到的情况，我们甚至不知道这个列表是否完整。但是，到目前为止，我们能够用这四种力解释粒子物理中的每个实验。
那么，为什么暗物质这么暗呢？好吧，暗物质有质量，所以它有引力。但是关于它的作用，我们能够确定的信息也只有这些了。目前，我们认为它不参与电磁作用，不会反射或者发出光线，因此我们很难直接看到它。暗物质似乎也没有弱核力和强核力。
除了某种我们还未发现的新作用，任何机制都不能使暗物质与望远镜、探测器，还有我们的身体接触。这使它非常难以研究。
在已知物体相互作用的四种基本力中，我们唯一确定与暗物质相关的只有引力。这就是暗物质中“物质”两个字的来源。暗物质是物质，它有质量，所以它有引力。
但愿我们已经让你相信了暗物质的存在。肯定有某种东西在那里，使得恒星不会飞离星系，飞向空旷的太空，它弯曲了星系发出的光线，在宇宙碰撞中全身而退，就像慢镜头中的动作英雄头也不回地离开汽车爆炸现场。暗物质就是那么酷。
但是这里还有问题：暗物质是由什么构成的？对于宇宙的构成，我们只研究了最简单的5%。我们不能假装知道答案。我们无法忽视比例高达27%的暗物质。简单地说，我们还是不太清楚暗物质到底是什么。我们知道它存在、知道它的个头，也知道它的大概位置，但是我们不知道它是由什么类型的粒子构成的，我们甚至不知道它是否由粒子构成的。从一种不寻常的物质推测整个宇宙时
，我们需要特别小心。要想发现真相，真正了解宇宙以及我们在宇宙中的位置，我们必须保持开放的心态。
为了取得进展，我们需要检验一些特定的想法，验证这些想法的推论，还要设计实验进行测试。暗物质说不定是跳着舞的紫色宇宙大象，它由一种不可探测的怪诞新粒子组成—你可以这样想，但这太难验证了，因此它在科学上不是首选项。
一种简单而具体的想法是，暗物质由一种新型粒子构成，它们以新的作用力极度微弱地与普通物质相互作用。人们为什么猜暗物质只包含一种新型的粒子？因为这样最简单，这样的想法适合优先得到检验。暗物质完全有可能由好几种粒子构成，就像普通物质一样。这些暗粒子可能有各种各样有趣的作用力，可能产生暗化学反应，也许还有暗生物过程、暗生命、暗火鸡（这是个恐怖的想法）。
这个候选粒子被大家称为WIMP（Weakly Interacting Massive Particle），意思是弱相互作用大质量粒子（也就是与常规物质发生微弱作用的某种有质量的东西）。我们猜测它通过一种新的力与我们这种类型的物质相互作用，这种作用非常非常小，差不多发生在中微子的级别上。有一阵子，人们还考虑了其他想法，比如，暗物质也许是由普通物质构成的巨大团块（有木星那么大）。人们称这种东西为 MACHO （Massive Astrophysical Compact Halo Objects，大质量致密晕天体）。
我们怎么知道暗物质粒子通过引力之外的其他力与普通物质发生作用？我们其实不知道，但我们希望它们是这样的，因为那样它们就比较容易被探测到了。因此，在我们开始几乎不可能完成的实验之前，我们先试着做了一些非常困难的实验。
物理学家已经设计了一些探测假想暗物质粒子的实验。一个经典的策略就是将一个容器装满被压缩的低温惰性气体，容器四周全是探测器，一旦气体中的一个原子被暗物质撞上，探测器就会响起。迄今为止，这类实验还没有找到任何暗物质，但是相关设备在近期才变得够大、够灵敏，有希望探测到暗物质。
另外一个方法是用高能粒子对撞机来制造暗物质，让普通物质粒子（质子或电子）疯狂加速，然后让它们撞到一起。对撞本身就已经非常精彩了，而且还能探索宇宙中的新粒子。这是因为对撞能把一种物质转变成其他类别的物质。在对撞中，粒子并非通过内部的重新排列呈现新的形态，而是消灭了旧的物质，产生了新的物质。这很像亚原子层面上的炼金术（我们没有开玩笑）。这意味着，在某些条件下，你几乎可以制造任何可能存在的粒子，而且不用事先知道你在寻找什么。科学家正在研究这种碰撞，希望找到暗物质粒子产生的证据。
第三个方法是把望远镜对准我们认为暗物质高度集中的地方，其中离我们最近的是银河系的中心，那里似乎有很大一块暗物质。这里的思路是：两个暗物质粒子可能会随机碰撞并因此毁灭。如果暗物质能够通过某种方式与自身发生作用，那么暗物质粒子就能通过碰撞转变成普通物质的粒子，正如两个普通物质粒子能碰撞产生暗物质一样
。如果这样的反应发生得足够频繁，那么由此产生的普通物质粒子就会满足特别的能量和位置分布。我们可以通过望远镜找出很可能是来自暗物质的碰撞。但是，要搞清楚这个，我们需要知道星系中心正在发生的很多事情，那是另一组谜团。
目前，人类的所有发现和进步都无法解释宇宙的本质，而暗物质是一条重要的线索。就我们的理解而言，我们现在的水平比原始人科学家高不了多少。暗物质甚至还没有出现在我们的宇宙数学和物理模型中。宇宙中有大量的东西在悄无声息地拉扯我们，而我们连那是什么都不知道。在这种情况下，我们不能声称自己已经理解了宇宙。
现在，在你开始对离奇的、黑暗的、神秘的、飘浮在你周围的东西胡思乱想之前，请思考这个问题：如果暗物质是一种很棒的东西，那会怎么样呢？
暗物质由一些我们没有接触过的东西构成。我们从来没有见过这种东西，所以它或许会有一些我们从来没有想象过的表现。
想想看吧，这里存在着神奇的可能性。
如果暗物质由某种新粒子构成，我们能够在高能对撞机里制造并控制它，那会怎么样呢？如果在发现它的过程中，我们发现了从前不知道的物理定律、基本作用力，或者已知力相互作用的新方式，那会怎么样呢？如果这些新发现能让我们以新的方式控制常规物质，那会怎么样呢？
请想象这样的情境：你一生都在玩一个游戏，然后突然之间，你意识到这个游戏还有特殊的规则或者特别的玩法。在搞清楚暗物质是什么，以及它如何产生作用的过程中，我们能够获得什么神奇的技术和知识呢？
我们不能永远对暗物质懵懵懂懂的。虽然我们看不到它，但它还是很重要的。