引力是我们最熟悉的自然力，它同时为我们提供了自然界中最容易理解的和最难以理解的现象。它让千年以来最聪明也最有影响力的人艾萨克·牛顿认识到，引力神秘的“超距作用”产生于每一点物质的自然效应，这种任何两个物体之间的吸引力可以用一个简单的代数方程来描述。20世纪最杰出、最有影响力的人爱因斯坦认识到，并且证明，我们可以把描述引力的“超距作用”更准确地描述为：由物质和能量任意组合所产生的时空结构中的弯曲。

爱因斯坦证明牛顿的理论需要一些修改才能准确地描述引力——例如，当光线经过一个巨大的天体时会产生多大的弯曲。虽然爱因斯坦的方程比牛顿的更为精致，不过它们都很好地容纳了我们所认识和热爱的日常物质，也就是我们可以看到、触摸、感受、嗅闻，并且偶尔品尝的那些物质。

我们不知道这个天才序列里的下一个是谁，但将近一个世纪之后，我们如今在等某人来告诉我们，为什么我们在宇宙中测量到的大部分引力（大约85%），产生于并不与“我们的”物质或能量发生相互作用的物质或能量。也有可能，那些多余的引力根本不是来自物质和能量，而是表现为其他某种概念性的东西。无论是何种情况，我们基本上都是一无所知。我们发现，关于这个“失踪的质量”问题，比起1937年它第一次被美国籍瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）全面分析时，我们今天并没有更接近答案。兹威基在加州理工学院任教超过40年，他这个人能用丰富多彩的表达方式把他对宇宙深刻的洞察表现出来，不过同时，他与同事交恶的能力也令人印象深刻。

兹威基研究了一个庞大星系团中那些单个星系的运动，这个星系团要比我们银河系本地的恒星远得多，位于后发座方向（这个星座的意思是古埃及“伯伦尼斯王后的头发”）。我们称之为后发星系团，它是一个成员极多的孤立的星系集合体，离地球大约3亿光年。它的上千个星系环绕着星系团的中心运行，就像蜜蜂簇拥着蜂巢一样在各个方向运动。利用几十个星系的运动作为将整个星系团结合起来的引力场的示踪物，兹威基发现其中星系的平均速度大得惊人。由于更大的引力会导致被它们吸引的物体具有更高的速度，兹威基推断出后发星系团具有巨大的质量。作为对该估计真实性的检查，你可以把所看到的每个成员星系的质量加起来。即使后发星系团位居宇宙中最大规模的星系团之列，它也没有足够多的可见星系来解释兹威基观察和测量到的巨大速度。

这情况有多糟？我们已知的万有引力定律让我们失望了吗？当然，它在太阳系中肯定有效。牛顿已经证明，你可以推导出，跟太阳在某个距离上保持稳定轨道的行星，必须具有一个特定的速度，否则它就会落向太阳或者上升到更远的轨道上。计算表明，如果我们把地球当前的轨道速度增加（1.4142……）倍，我们这个行星就达到了“逃逸速度”，就会彻底离开太阳系。我们可以将同样的推理应用于更大的系统，比如我们的银河系，作为对来自所有其他恒星引力的反应，星系里的恒星各自在其轨道上运动；或者在星系团中，每个星系同样感受到其他星系的引力。在这种精神感召下，爱因斯坦在他写满公式的笔记本的一页上，写了一首赞颂艾萨克·牛顿的押韵诗（在德语中韵律感更强）：

仰望星辰探真理，

大师思想传我辈。

繁星点点默无言，

但循牛顿理论行。

（Look unto the stars to teach us

How the master’s thoughts can reach us

Each one follows Newton’s math

Silently along its path）

当我们依此检验后发星系团时，正如兹威基在20世纪30年代所做的那样，我们发现它的成员星系运动速度比星系团的逃逸速度更快。这个星系团早就应该迅速分解了，几百万年之后，它那密如蜂巢的结构就不会留下一丝痕迹。但是这个星系团已经有100多亿年的历史了，几乎和宇宙本身一样古老。如此一来，就诞生了天体物理学中至今最长久的未解之谜。

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在兹威基完成这项工作之后的几十年里，其他星系团里也发现了同样的问题，所以后发星系团不能被认为是个例。那么我们应该责备什么或怪罪谁呢？牛顿？我不会的，起码现在不会。现在他的理论已经被检验250年了，而且通过了所有的测试。爱因斯坦？不会。星系团的引力虽然难对付，但仍然不够强，不需要动用广义相对论的大锤，而且当兹威基做研究时，广义相对论才发表了20年。可能束缚后发星系团所需的“失踪的质量”确实存在，只是以某种未知的、不可见的形式存在。今天，我们已经给它取了“暗物质”这一名号，这个名字没有断言任何东西是缺失的，但仍然暗示必然存在某种新型物质，尚待被发现。

当天体物理学家们已经开始接受星系团中神秘的暗物质之时，它又一次抬起了它隐形的脑袋。1976年，如今已辞世的薇拉·鲁宾（Vera Rubin）当时是华盛顿卡内基研究所的天体物理学家，她在旋涡星系中发现了类似的质量异常。在研究恒星环绕星系中心的速度时，鲁宾首先发现的是符合她所期望的东西：在每个星系的可见盘中，离中心较远的恒星比离中心较近的恒星的速度要快。对于较远的恒星，在它们自身与星系中心之间有更多物质（恒星和气体），使它们具有更快的轨道速度。然而，在星系的发光盘之外，人们仍然可以找到一些孤立的气体云和明亮的恒星。利用这些天体作为星系最明亮区域之外的引力场的示踪物，在可见物质不再增加的那些区域，鲁宾发现它们的轨道速度本应该随着距离的增加而下降的，但实际上仍然很快。

这些太空区域——每个星系的偏远地区——大部分是空无一物，这些地方含有太少的可见物质，无法解释示踪体异常的高轨道速度。鲁宾正确地推断，在每个旋涡星系远远超出可见边缘的那些遥远区域，必须存在某种形式的暗物质。多亏鲁宾的工作，我们现在称这些神秘地带为“暗物质晕”。

这个晕的问题就存在于我们的眼皮底下，就在银河系中。从星系到星系，从星系团到星系团，天体可见物部分的质量估算值与同一天体整体引力范围内的质量估算值之间的差异，从几倍到几百倍不等。在整个宇宙中，这一差异的平均值为6倍，即宇宙里暗物质的引力大约是所有可见物质总引力的6倍。

进一步的研究表明，暗物质不可能是由发光较少或不发光的普通物质组成。这一结论取决于两条推理。首先，我们可以用近乎肯定的方法消除所有看似熟悉的候选者，就像警察让嫌疑犯列队接受辨认一样。暗物质能在黑洞中存在吗？不，我们认为我们会从黑洞对附近恒星的引力效应中发现那些黑洞。可能是黑色星云吗？不，它们会吸收星光，或以其他方式与来自它们身后的星光相互作用，真正的暗物质不会发生这样的情况。它可能是星际（或星系际）的流浪行星、小行星和彗星吗？所有这些天体都不会自己发光。很难相信宇宙制造的行星在质量上是恒星的6倍多。那将意味着星系中每颗恒星都有6000颗木星，或者更糟的是，有200万颗地球。例如，在我们自己的太阳系中，太阳以外所有的东西加起来还不到太阳质量的千分之二。

对于暗物质的奇异性质，更直接的证据来自宇宙中氢和氦的相对量。这些数字一起提供了早期宇宙留下的宇宙指纹。与事实非常接近的是，大爆炸后的前几分钟的核合成，导致了每10个氢核（它们本身就是质子）就有一个氦核。计算表明，如果大部分暗物质参与了核合成，那么相对于氢，宇宙中应该会有更多的氦。由此我们得出结论，大部分的暗物质（也就是宇宙中的大多数）并不参与核聚变，这就表明它并不具有“普通物质”的资格，普通物质本质在于能够参与原子力和核力作用，从而形成我们所知道的物质。对宇宙微波背景的详细观测能够对这个结论进行独立检验，证实了这个结论：暗物质和核合成无关。

因此，正如我们所能理解的那样，暗物质并不是碰巧由黑暗物质构成的那么简单。相反，它完全是另一种东西。暗物质遵守与普通物质一样的引力规律，对普通物质存在引力，但它并没有能让我们探测到它的其他作用。当然，由于我们并不知道暗物质是什么，这一点妨碍了我们的分析。如果所有的质量都对应有引力，那么所有的引力都对应有质量吗？我们不知道。也许对物质来说这样没有错，但对引力我们还并不理解。

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不同天体环境里，暗物质和普通物质之间的比例变化很大，在星系和星系团这样的大型天体中是最为明显的。对于最小的天体，如卫星和行星，并不存在物质和引力间的差异。例如，地球表面的引力可以完全由我们脚下的东西来解释。如果你在地球上超重，不要责怪暗物质。暗物质既不影响月球绕地球公转的轨道，也不影响太阳周围行星的运动——但正如我们已经看到的，我们确实需要它来解释星系中心周围恒星的运动。

在星系尺度上是否存在不同的引力机制？可能不是。更可能的是，暗物质是由我们尚未探测到其本质的物质组成，它比普通物质更分散。否则，我们将探测到分布在宇宙间的由暗物质聚集成的大块引力团——如暗物质彗星、暗物质行星、暗物质星系。据我们目前所知，事情不是这样的。

我们知道的是，我们在宇宙中所爱的东西——组成恒星、行星和生命的物质——只是宇宙这块蛋糕上薄薄的一层糖霜，是在浩瀚的却又看似什么都没有的宇宙海洋里漂浮着的一些微小浮标。

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在大爆炸后的前50万年——仅仅是在140亿年宇宙历史中的短暂一瞬，宇宙中的物质已经开始凝聚成为将会发育成星系团和超星系团的小团块。但在接下来的50万年里，宇宙的尺度将会翻番，而后还将继续增长。决定宇宙发展可能性的是两个相互竞争的效应：引力想使物质凝聚，但膨胀试图稀释它。如果你做下计算，你会很快发现，以普通物质自身的引力无法赢得这场战斗。它需要暗物质的帮助，没有暗物质我们就会生活在——实际上我们就不可能活着——一个没有任何结构的宇宙里：没有星系团，没有星系，没有恒星，没有行星，也没有人。

我们需要多少来自暗物质的引力？是相当于普通物质本身所提供的6倍。正好就是我们在宇宙中测量到的数量。这一分析并没有告诉我们暗物质是什么，只有暗物质的效应是真实的，而且，无论如何，你都无法把它归于普通物质。

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所以暗物质跟我们亦敌亦友。我们不知道它是什么。有点烦人。但在计算中我们迫切需要它才能得出对于宇宙的准确描述。当我们的推断必须基于我们不理解的概念时，科学家通常是不舒服的，但是如果我们不得不这样做的时候，我们就必须这样做。暗物质不是我们试图驾驭的第一匹野马。例如，在19世纪，科学家们测量了太阳的能量输出，并证明了它对我们的季节和气候的影响，而这远在任何人知道太阳能量是由核聚变产生的之前。现在看起来很可笑，但当时最好的想法是，太阳是一大块燃烧的煤炭。也是在19世纪，我们观测恒星时获得了它们的光谱，并对它们进行了分类，这也远在20世纪量子物理学产生之前，后来量子物理才让我们了解了这些光谱的本质，为什么它们看起来是这样的。

无情的怀疑论者可能会把暗物质假设与19世纪提出、如今已经被否定的“以太”做对比，“以太”是光在其中运动的、充满真空的、没有质量的透明介质。直到1887年由凯斯西储大学的阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）在美国克利夫兰市做的一个著名实验给出否定结果之前，科学家们都断言以太必定存在，即使没有一丝一毫的证据支持这一假设。科学家们当时认为光是一种波，需要通过一种介质来传播光的能量，就像声音需要空气或其他材料来传播它的声波。但是后来证明光可以很愉快地穿过太空里的真空，不需要用任何媒介来承载它。与由空气振动形成的声波不同，光波是自我传播的能量包，不需要任何帮手。

我们对暗物质的无知与对以太的无知是有根本区别的。以太是因不能理解光的传播而想象出来的一种“占位符”，而暗物质的存在并非来自单纯的推测，而是来自观察到的它的引力对可见物质的实际效应。我们不是凭空发明暗物质的，相反，我们从观察事实推断出了它的存在。暗物质就跟那些围绕着另外一颗“太阳”运行的系外行星一样真实，它们也仅仅是通过对它们的宿主恒星的引力影响而不是从对它们光线的直接观测中发现的。

可能发生的最糟糕的情况是，我们发现暗物质根本不包括物质，而是其他东西。我们是看到了来自另一个维度的力的影响吗？我们是否感觉到了与我们相邻的幽灵宇宙中的物质引力穿过了宇宙膜？如果是这样，我们所在的宇宙可能只是组成“多重宇宙”的无数个宇宙之一。听起来异想天开而且难以置信。但这比第一次提出地球是绕着太阳转的还要疯狂吗？比起太阳只是银河系中上千亿颗恒星之一呢？或者是银河系是宇宙中千亿个星系之一呢？

即使这些幻想式的解释中的任何一个被证明是正确的，也不会改变我们如今成功地使用暗物质的引力来理解宇宙形成和演化这一事实。

其他怀疑论者可能会宣称“眼见为实”——这种生活态度在许多方面都行之有效，包括机械工程、捕鱼，也许还有约会。但它并不是好的科学思路。科学不只是要看到，它是关于测量的，最好是用一些不是你自己眼睛的东西去测量，因为眼睛所见无法摆脱脑中的包袱。而这些包袱往往是一大堆先入为主的观念、僵化的成见和彻头彻尾的偏见。

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虽然自暗物质的概念提出八十多年以来我们在地球上无法实现直接探测暗物质，但暗物质一直在发挥作用。粒子物理学家相信暗物质是由一类幽灵般的未被发现的粒子组成的，它们与物质通过引力发生相互作用，但在其他方面与物质或光的相互作用非常弱或根本不发生作用。如果你喜欢在物理上赌博，暗物质一定是个很好的下注项目。世界上最大的粒子加速器正试图在粒子碰撞的碎片中制造暗物质粒子。还有特别设计的深埋地下的实验室，正被动地探测来自太空的暗物质粒子。之所以选址于地下，是因为大地可以自然地屏蔽那些已知的宇宙粒子，防止它们进入探测器而被误认为是暗物质。

也许上面这些举措是空忙一场，但“暗物质是一种难以找到的粒子”这个想法还是很值得我们去验证的。对中微子的预测和发现就是一个很好的例子，尽管中微子与普通物质的相互作用非常微弱。来自太阳的中微子的量相当大，在发生核聚变的太阳核心里，每由氢合成一个氦核，就释放出两个中微子，中微子毫无阻碍地逃逸出太阳，在太空的真空里以接近光速穿行，然后就像地球根本不存在一样穿过地球。根据计算，无论白天还是晚上，每一秒钟你身体上的每一平方厘米都有1000亿个来自太阳的中微子穿过，但根本不会与你身体的原子发生相互作用。尽管如此不可捉摸，但在特殊情形下，中微子仍然是可以被阻止的。如果你阻止了一个粒子，就说明你已经探测到它了。

暗物质粒子可以通过类似的极其罕见的相互作用来显示其存在，或者，更令人惊奇的是，它们可能表现为除了强核力、弱核力和电磁力以外的一种力。刚才说过的这三种力，再加上引力，就是宇宙中的四种基本力，能协调所有已知粒子之间的相互作用。所以，情况很明确，等待我们的，要么是通过暗物质粒子的相互作用去发现和控制一种或一类新的作用力，要么就是暗物质跟普通物质也存在相互作用力，只是强度弱得惊人。

因此，暗物质的效应是真实存在的。我们只是不知道暗物质是什么。暗物质似乎不通过强核力相互作用，所以它不能形成原子核。它还没有被发现通过弱核力进行相互作用，而甚至是难以捉摸的中微子也存在弱相互作用。它似乎并没有与电磁力相互作用，所以它不会产生分子，也不会聚集成致密的暗物质球。它既不吸收、发射光，也不反射或散射光。正如我们从一开始就知道的，暗物质确实会施加引力，而普通物质对此会产生响应。但仅此而已。经过这么多年，我们还没有发现它能做什么别的事情。

现在，我们只能满足于把暗物质作为一个陌生的、隐形的朋友来对待，在宇宙需要我们召唤它的时候请它施以援手。 wxUbF0SYjxI3DEPTLfZKNSEV/4BfCdUHPD4r6JxyiNmMXdt3svf20nsKRBKw47vx