引力是自然界里我们最熟悉的力，它同时造就了自然界里最容易理解和最让人费解的现象。千年来最睿智、最具影响力的科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）认识到，引力神秘的“远距离作用”来自每一点物质的天然效应，任意两个物体之间的引力都能用一个简单的代数方程来描述。20世纪最睿智、最具影响力的科学家爱因斯坦又进一步发现，我们可以将引力的远距离作用更准确地描述为物质和能量的任意组合造成的时空构造弯曲。爱因斯坦证明，牛顿理论需要做出一定的修正才能准确描述引力，在这个过程中，他预测了光线行经大质量物体时弯曲的程度。虽然爱因斯坦的方程看起来比牛顿的花哨，但它们完全符合我们所认知并热爱的物质的实际行为，包括我们能够看到、触碰、感觉、偶尔还会品尝的所有物质。

我们不知道下一个天才会是谁，但半个多世纪以来，我们一直在等待某个人来告诉我们，为什么我们在宇宙中测量到的引力大部分来自那些看不见、摸不着、无法触碰，更无从品尝的存在。也许这些多余引力的来源根本不是物质，而是另一些抽象的东西。无论如何，现在我们还全无头绪。星系的引力会影响它们的近邻，1933年，天文学家在测量某些星系的速度时首次发现了“消失的质量”。1937年，曾先后在保加利亚、瑞士和美国居住的天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）全面分析了这个谜团，但直到今天，我们在这个问题上仍然没有任何进展。兹威基在加州理工学院（California Institute of Technology）工作了40多年，这位科学家提出的宇宙学理论五花八门、丰富多彩，同样令人印象深刻的还有他挑衅同事的非凡能力。

兹威基研究的是一个巨型星系团内的星系运动，这些天体来自后发座（Coma Berenices，这个名字的意思是“贝蕾妮丝的头发”，贝蕾妮丝是埃及古代的一位王后），远离银河系的本地恒星。后发座星系团地处偏远，星系众多，它与地球的距离大约是3亿光年。数千个星系就像围绕蜂巢打转的蜂群一样绕着星系团中心旋转，运动方向各不相同。兹威基从中挑出了几十个星系，通过它们的运动来研究凝聚整个星系团的引力，结果发现，这些星系的平均速度大得惊人。引力越大，受其作用的天体运动速度也越快，因此兹威基推测，后发座星系团的质量一定非常非常大。如果把这些星系的估计质量全都加起来，后发座就会成为宇宙中最大、最重的星系团。即便如此，这个星系团中可见物质的质量也无法支撑这么快的星系运动速度。似乎有一部分物质凭空消失了。

如果你假设这个星系团并未处于某种奇怪的膨胀或坍缩状态，那么你可以用牛顿引力定律算出这些星系理应拥有的典型平均速度。你需要的数据只有两组：星系团的尺寸，以及你估计的星系团总质量。星系与星系团中心之间的距离各不相同，星系团的总质量产生的影响也不一样，由此我们可以算出各星系的运动速度：如果星系的运动速度太慢，它就会坠入星系团中心，要是速度太快，它就会彻底脱离这个星系团。

牛顿曾用同样的方法根据各个行星与太阳之间的距离计算太阳系里每颗行星在绕日轨道上的公转速度。这些速度完全符合各个行星所在的引力环境。如果太阳突然变得更重，地球和太阳系里的所有天体都必须加快速度才能停留在目前的轨道上。但是，如果天体的公转速度太快，太阳的引力就不足以维持它们目前的轨道。要是地球的轨道速度增加到目前的两倍，我们这颗行星就将达到“逃逸速度”，然后（正如你猜到的那样）它会逃离太阳系。同样的道理也适用于比地球大得多的天体，例如，我们的银河系。银河系内某颗恒星运行的轨道由本星系其他所有恒星的引力共同决定，以此类推，星系团中的每个星系也会受到其他所有星系引力的影响。正如爱因斯坦在纪念牛顿的诗句（它的德语原文比译文更有震撼力）中写到的：

天上的星星告诉我们

大师的思想何等触手可及

每颗星星都遵循牛顿的数学

在轨道上默然运行

如果我们像20世纪30年代的兹威基一样仔细审视后发座星系团，我们会发现，它内部的所有星系运行的速度都超过了这个星系团的逃逸速度。但我们在计算逃逸速度时依据的星系团总质量，是将它拥有的所有星系质量一个个加起来得出的结果，而每个星系的质量又是根据它的亮度估计出来的。如果我们没算错的话，这个星系团应该迅速分崩离析，只余下些许痕迹供人缅怀它蜂巢般拥挤的过往，这个过程只需要几亿年到10亿年。但后发座星系团的寿命已经超过了100亿年，几乎和宇宙本身一样古老。这就是天文学上存在时间最长的谜团。

兹威基发现这个谜团之后的几十年里，天文学家又在其他星系团中观察到了同样的现象。所以，我们不能怪后发座太奇怪。那么我们该责怪谁呢？牛顿吗？那可不行，250年来，牛顿的理论经受了无数考验仍屹立不倒。那怪爱因斯坦？也不行。星系团的引力并没有强到必须全面动用爱因斯坦相对论的程度，兹威基开展研究的时候，这套理论才诞生了20多年。将后发座星系团凝聚在一起的力量也许真的来自“消失的质量”，只不过我们看不到它们，也不知道它们的性质。有一段时间，天文学家将“消失的质量”重新命名为“消失的光”，因为这些质量是从多余的引力反推出来的。现在，天文学家更准确地估计了星系团的质量，于是他们提出了“暗物质”这个新词儿，不过更准确的描述或许应该是“暗引力”。

暗物质问题看不见的头颅再次浮出水面。1976年，华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution of Washington）的天体物理学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）在旋涡星系中也发现了“消失的质量”引发的异常。鲁宾研究的是恒星围绕自己所在的星系中心旋转的速度，刚开始她观察到的现象完全符合预想：在每个星系可见的星系盘内，远离星系中心的恒星运动速度大于更内侧的恒星。外侧恒星与星系中心之间的物质（恒星和气体）更多，所以它们需要转得更快才能留在轨道上。但是，在明亮的星系盘之外，我们仍能找到一些孤立的气体云和少量亮星，鲁宾利用这些天体来跟踪星系“外部”的引力场。虽然这些区域内没有能够增加星系总质量的可见物质，但她发现，“虚无村”里的这些天体运动速度还是很快——它们的速度本应随着距离的增加而下降。

这些广袤的真空区域是每个星系里都会有的荒野，其中包含的可见物质太少，根本无法支撑零星天体的飞速运动。鲁宾提出了一个合理的假设：旋涡星系边缘黑暗的偏远区域里一定存在某种形式的暗物质。事实上，这些暗物质形成的暗晕包围着整个星系。

暗晕问题就在我们的鼻子底下，我们的银河系里就有暗晕。可见天体质量与系统总质量之间总是存在偏差，几乎每一个星系和星系团都逃不掉这个问题，只是两个质量之间的比例系数差别巨大，有的只有2或3，有的可以达到几百。整个宇宙的平均系数大约是6。也就是说，宇宙中暗物质的质量是可见物质的6倍左右。

近25年来，进一步的研究告诉我们，这些暗物质的成分不可能是不发光的普通物质。科学家之所以得出这个结论，是因为他们几乎可以排除已知的任何候选者，这就像警察筛查嫌犯。这些不发光的物质会不会藏在黑洞里？不可能，要是真有这么多黑洞，它们的引力必然影响周围的恒星，那我们早就发现不对劲了。它们会不会是看不见的云？也不可能，云团会吸收后面的恒星发出的光，或者以其他方式与这些光互动，但真正的暗物质却不会。它们会不会是恒星之间（或者星系之间）的行星、小行星、彗星或者其他不发光的天体？我们很难相信宇宙中行星的质量能达到恒星的6倍，这意味着每颗恒星将对应6000颗木星，甚至200万颗地球。在我们的太阳系里，太阳以外的其他所有东西的质量加起来也只有太阳的0.2%。

因此，我们只能推测，暗物质不可能简单地由某些正好不发光的物质组成。恰恰相反，它完全是另一种存在。暗物质产生的引力和普通物质完全相同，但除此以外，我们几乎意识不到它的存在。当然，这个问题陷入死胡同的深层原因在于，我们根本不知道暗物质到底是什么。探测暗物质之所以这么难，很大程度上是因为我们完全不了解它的性质，那么问题来了：既然所有物质都有质量，所有质量都会产生引力，那么反过来说，引力就一定来自物质吗？我们并不知道。暗物质指的是某种拥有引力但性质不明的物质，但也许这里根本就不存在什么物质，它就是一种我们完全不了解的引力。

要研究暗物质，我们不能光是假设它存在，然后就把它丢到一边。现在，天体物理学家正在试图弄明白，这些东西聚集在宇宙中的哪些地方。如果暗物质只存在于星系团边缘，那么星系的运动速度应该完全不受它的影响，因为星系运动的速度和轨道完全取决于其轨道内侧的引力源。如果暗物质只存在于星系团中心，那么（距离中心由近到远的）星系的运动速度应该只受分布于它们的轨道之间的普通物质的影响。但实际的观测结果却告诉我们，星系团内绕轨运行的星系所占据的空间里到处都有暗物质。事实上，普通物质和暗物质的位置有松散的重叠。几年前，美国天体物理学家J.安东尼·泰森（J. Anthony Tyson，他是本书一位作者的“托尼堂哥”，但两人实际上并不是亲戚）带领的团队（当时他们在贝尔实验室工作，现在转移到了加州大学戴维斯分校）首次描绘了巨型星系团内部及周围的暗物质引力分布详图。大星系所在的区域暗物质密集度很高，反之，没有可见星系的区域暗物质很稀少。

暗物质和普通物质的矛盾在某些环境里并不突出，但在某些环境里却特别扎眼，总的来说，这样的矛盾在大型天文系统中表现得最为明显，譬如星系和星系团。对于那些最小的天体（例如，卫星和行星）来说，暗物质和普通物质的矛盾根本就不存在。举个例子：我们脚下踩着的这颗星球足以解释地球表面的引力，所以要是你体重超标，千万别怪到暗物质头上。暗物质也不会影响月球绕地球运行的轨道，或者行星绕太阳的运动。但要解释恒星围绕星系中心的运动，我们就得祭出暗物质这面大旗了。

星系尺度的引力会不会遵循另一套物理规则？很可能不是这样。可能性更大的是，暗物质由一些我们尚不清楚其性质的东西组成，它们的分布比普通物质更加分散，否则我们会发现，每六片暗物质里就有一片上面粘着一团普通物质。据我们目前所知，事实并非如此。

有时候，天体物理学家会甘冒天下之大不韪，提出一些耸人听闻的观点，比如：我们知道和热爱的所有物质，包括恒星、行星和生命其实只是宇宙汪洋中漂浮的片片浮标，真正组成这片海洋的是一些虚无缥缈的东西。

但是，万一这个结论完全错了呢？在无路可走的情况下，一些科学家开始质疑其他试图理解宇宙的同行提出的假说所依据的基本物理定律，这是可以理解的。他们这么做也不算错。

20世纪80年代初，以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）提出，我们应该对牛顿引力定律做出修改，现在这套理论被称为MOND（MOdified Newtonian Dynamics，修正版牛顿力学）。标准牛顿力学完全适用于星系以下的尺度。米尔格若姆提出，描述引力在星系和星系团尺度上的影响时，牛顿需要一些帮助，因为单个的恒星和星系团相距遥远，它们作用于彼此的引力相对较小。米尔格若姆为牛顿方程添加了一个条件，专门用于修正天文尺度下的引力效应。虽然米尔格若姆提出的MOND只是一个计算工具，但他也没有排除这样的可能性：说不定他的理论真的可以解释新的自然现象。

MOND的成功相当有限。这套理论的确可以解释很多旋涡星系外围孤立天体的运动，但它带来的问题比答案还多。MOND无法可靠预测更复杂系统的动力学特性，例如，它无法解释双星系或多系统的运动。此外，WMAP卫星于2003年绘制的宇宙背景辐射详图带来了新的契机，现在宇宙学家可以单独测量暗物质对早期宇宙的影响。他们得出的结果完全符合基于传统引力理论的连续宇宙模型，MOND因此失去了很多支持者。

宇宙的历史长达140亿年，在最初50万年的短暂时光里，宇宙中的物质已经开始聚集成团，其中一些后来发展成了星系团和超星系团。但宇宙一直都在膨胀，接下来的50万年里，它的尺寸将增加一倍。所以宇宙中的两种效应互相竞争：引力努力将物质聚集成团，但膨胀却总是试图撕碎这些团块。算一算你就会发现，普通物质的引力根本不可能打赢这场战争。它需要暗物质的帮助，如果没有暗物质，我们（确切地说，我们根本不会存在）将生活在一个极度松散的宇宙中：没有星系团、没有星系、没有恒星、没有行星，更没有人类。我们需要多少来自暗物质的引力？答案是：普通物质提供的引力的6倍。这样的分析彻底堵死了MOND对牛顿定律的小小修正。分析结果没有告诉我们暗物质到底是什么，只是证明了暗物质的影响真实存在——无论你怎么生拉硬拽，这份功劳也没法归到普通物质头上。

暗物质在宇宙中还扮演着另一个关键的角色。为了致敬暗物质为我们做的一切，我们不妨沿着时间的河流上溯到大爆炸之后的那几分钟，那时候的宇宙依然灼热致密，足以将氢原子核（质子）聚合在一起。早期宇宙的坩埚将氢锻造成了氦，以及极少量的锂和更少量的氘（一种比较重的氢原子核，由一个质子和一个中子构成）。这些原子核混合在一起，形成了大爆炸在宇宙中留下的另一枚指纹，凭借这些遗迹，我们得以重构宇宙诞生之初那几分钟的情景。创造这枚指纹的第一推动力是强核力——这种力将原子核中的质子和中子结合在一起——而不是引力，引力过于微弱，只有等万亿数量级的粒子聚集在一起之后，我们才能真正看到引力的效果。

等温度降到某个阈值以下，遍及宇宙的聚变已经将氦原子核和氢原子核的比例提高到了1∶10。这个大坩埚还将大约千分之一的普通物质锻造成了锂原子核，另有十万分之二的物质变成了氘。如果暗物质的成分不是某种无法产生任何互动的存在，而是不发光的普通物质，并且可以享受到聚变带来的好处，那么考虑到这些不发光的物质包含的粒子数量是普通物质的6倍，在那个局促狭小的早期宇宙中，大量不发光物质一定会大幅提高氢原子核的聚变率，最后生成的氦必然远远超过我们如今观测到的结果，宇宙诞生的过程也将发生巨变。

氦是一种顽强的原子核，它相对容易生成，但要让它聚合形成其他原子核却非常困难。恒星核内的聚变反应会不断地将氢制造成氦，与此同时，进一步的核聚变破坏的氦原子核数量相对少得多，所以我们或许可以认为，哪怕是在宇宙中那些氦原子核最稀少的地方，这种元素的数量也不会少于宇宙诞生之初的那几分钟。当然，就算恒星在消耗原料时极度克制，在它所属的星系内，氦元素在所有原子中的占比也有10%，我们从大爆炸献给宇宙的生日套餐中恰好可以推算出这个数字——只要当时那些暗物质不参与创造原子核的聚变反应。

所以，暗物质是我们的朋友。但天体物理学家在计算的时候必须以自己完全不理解的概念为基础，他们对此感觉不适也是可以理解的，虽然他们并不是第一次陷入这样的境地。早在19世纪，天体物理学家就测量了太阳的能量输出，那时候他们并不知道这些能量来自热核聚变，当时量子力学还没出现，关于微观物质的各种深刻洞见更是连影子都还没有，“聚变”这个概念根本就不存在。

不屈不挠的怀疑主义者或许会将今天的暗物质比作早已被证伪的“以太”。很长一段时间里，人们普遍认为，光在没有重量的透明以太中传播。物理学家觉得以太必然存在，虽然没有任何证据能证明这套假说，但它依然流行了几个世纪，直到1887年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）在克利夫兰做了那个著名的实验。既然光是一种波，那它就应该需要某种传播媒介，就像声音需要空气作为传播媒介。不过后来我们发现，光在宇宙的真空中也可以高高兴兴地奔跑，不需要任何媒介的支持。声波实际上来自空气的振动，光波却和它不一样，光单靠自己就能传播。

但我们对暗物质的无知和对以太的无知有着本质的区别。以太不过是一个占位符，我们用它来填充尚不完善的理论，但暗物质不是虚无缥缈的假说，我们实实在在地观测到了它的引力对可见物质的影响。暗物质不是凭空创造的概念，而是我们基于观测结果做出的推测。暗物质和我们已经发现的100多颗系外行星一样真实——这些太阳系外行星发现的关键就是它们的引力对其宿主恒星造成的影响。最坏的结果无非就是物理学家（或者其他智者）最终发现，暗物质的成分根本就不是物质，而是别的东西，实际上他们也没有排除这样的可能性。暗物质会不会是另一个维度的力在宇宙中的投影？会不会是某个平行宇宙和我们的宇宙发生了交叉？然而，这些可能性不会改变暗物质引力在理论方程中的地位，我们正在利用这些方程理解宇宙的形成和演化。

一些顽固不化的怀疑主义者可能会宣称“眼见为实”。眼见为实的生活哲学的确适用于很多地方，机械工程学领域用得上，钓鱼和约会的时候也用得上。显然，密苏里州的居民也深信这套哲学，但它真的不够科学。“眼见”绝不是科学的全部，科学的核心是测量——最好的测量工具不是你的眼睛，因为眼睛必然受到脑子的影响：你会先入为主，会做事后诸葛亮，会有未经其他数据验证的猜想，还有林林总总的偏见。

75年来，地球上的我们一直试图直接探测暗物质，对研究者来说，这就像某种形式的墨迹测验。有的粒子物理学家认为，暗物质的基本成分肯定是某些我们尚未发现的幽灵粒子，它通过引力和物质互动，除此以外它和物质或者光不会有任何相互作用，就算有也非常微弱。这个说法听起来有点疯狂，但类似的事情早有先例。比如说，我们早就知道中微子的存在，但它和普通物质以及光的相互作用都极其微弱。日核制造的每一个氦原子核都伴随着两个中微子，来自太阳的中微子以接近光速的速度在宇宙的真空中飞驰，然后畅通无阻地穿过地球，就像幽灵一样。想一想吧：无论是白天还是晚上，每一秒都有1000亿个来自太阳的中微子悄无声息地穿过你身上的每一平方厘米。

但捕捉中微子并非完全不可能。在极为罕见的情况下，中微子会通过天然的弱核力与物质互动。能捕捉到一个粒子，你自然就能探测它。我们不妨将行踪飘忽的中微子比作隐身人——同样的比喻也适合暗物质。“他”能穿过墙壁和门，就像“他”根本不存在一样。不过，既然隐身人拥有这样的能力，那“他”为什么没有穿过地板掉进地下室呢？

如果我们能制造出足够灵敏的探测器，粒子物理学家猜想的暗物质粒子或许就会通过类似的互动显露真容。它们也可能通过强核力、弱核力、电磁力以外的某种未知的力展示自己的存在。这三种已知的力（再加上引力）主宰着已知的所有粒子之间的互动。所以，我们的选择十分清晰。暗物质粒子一定在等待我们去发现，具体的方法无非两种：（1）发现并掌握一种或者一系列全新的力，它能和暗物质粒子产生互动；（2）继续提高测量的灵敏度，因为暗物质粒子青睐的可能还是我们熟知的这几种力，只是它们之间的作用非常非常微弱。

MOND理论的支持者在墨迹测试中没有看到全新的粒子。他们认为需要修正的是引力，而不是粒子，所以他们决定修正牛顿力学——虽然这个大胆的尝试似乎已经失败了，但毫无疑问，支持这条道路的先驱试图改变的是我们对引力的看法，而不是亚原子的人口普查数据。

还有一些物理学家追求的是万有理论（Theories Of Everything，TOE）。根据这套理论的一个衍生版本，我们的宇宙附近存在一个平行宇宙，我们只能通过引力与它互动。你永远不会接触到平行宇宙里的物质，但你可能会感受到它的拉力，这些力能够渗入我们这个宇宙的空间维度。想象一下，我们的宇宙有一个幽灵般的同伴，它只能通过引力彰显自己的存在。这听起来相当新奇，简直不可思议，但想一想人类第一次听说地球绕太阳旋转时的情况，还有人类第一次听说太阳系在宇宙中并不孤独时的情况，你或许就不会这么大惊小怪了。

暗物质的影响真实存在。我们只是不知道暗物质到底是什么。它似乎不受强核力的影响，因此它无法形成原子核。我们也没有发现它受弱核力影响，所以它的行踪比中微子更难捉摸。它看起来也不会受电磁力影响，所以它不能制造分子，也不能吸收、释放、反射或者散射光。然而它却能产生引力，由此影响普通物质。事情就是这样。经过了这么多年的摸索，天体物理学家还是不知道，暗物质除了产生引力以外还能干什么。

宇宙背景辐射详图告诉我们，在宇宙诞生之初的那38万年里，暗物质必然已经存在。时至今日，我们依然需要银河系和星系团里的暗物质，否则我们就无法解释这些系统内部天体的运动。不过，从目前的情况来看，我们对暗物质的无知并未影响天体物理学前进的脚步。在探索宇宙的道路上，暗物质就像一位古怪的朋友，我们带着它一路前行，在需要它的时候恳求它为我们扶危解困。

我们希望，在不久的将来，我们可以逐渐学会利用暗物质——只要我们能搞清楚它的成分到底是什么。想象一下，暗物质可以帮助我们造出看不见的玩具、能够彼此穿透的车辆，或者超级隐形飞机。科学史上从来不乏起初看似莫名的发现，到头来总有聪明人会想出办法来利用这些知识，造福自己或者地球上的其他生灵。 xm5j8mSbJUSdur+04993W1ss4LOAYZ6EOjIynWq6kzU/uBrVyYau88EYVJBcv+GN