黑暗宇宙

科学研究常常需要很长时间才能完全理解我们究竟有多么困惑。例如，直到19世纪的古生物学家才意识到恐龙曾经存在，才开始思考恐龙是如何灭绝的。就暗物质而言——这种看不见的物质似乎构成了宇宙物质的约五分之六——这种困惑已经持续了84年之久，并且丝毫没有消退的迹象。

事情本不该如此。几年前，各种仪器似乎都发现了这种看不见的宇宙成分的踪迹。在太空，轨道上的费米伽马射线空间望远镜探测到了暗物质粒子衰变成可见成分的可能迹象。在一个意大利实验室里，一个国际团队声称发现了季节性穿过其特殊设计的探测器（称为DAMA）的暗物质“风”的有力证据。在距离地面4850英尺的南达科他州一个废弃的金矿中，巨大的大型地下氙（LUX）暗物质探测器已经准备好收集关于这种长期以来备受追寻的暗粒子毫无疑问的数据。

然而，随之而来的并非启迪，而是一波新的困惑。费米信号看起来像是已知的天体物理过程和随机的银河噪声的混合体。DAMA的结果与其他探测器的数据不符，因此引起了广泛的怀疑。至于LUX，它取得了巨大的成功——只是以一种负面的方式。它提供了一个高质量的零结果，这是科学家们用来表示他们没有发现任何他们假设或声称已探测到的暗物质粒子的证据。

星系团的推断质量中，只有大约六分之一是由原子组成的。那么，不仅它们的大部分物质是暗的，而且暗物质根本就不可能是我们由之构成的物质。

科学研究如同自然界一样，也厌恶真空，于是各种新理论如潮水般涌入这个空白。也许暗物质聚集在巨大的、难以捉摸的团块中；也许它与普通物质的相互作用比物理学家预期的还要少。暗物质是如此奇特和令人费解，以至于它激发了即使是严肃研究者也提出的、引人深思的猜测。哈佛大学物理学家丽莎·兰德尔（Lisa Randall）刚刚出版了一本完整的书，探讨了暗物质可能间接导致恐龙灭绝的论点。

这一切听起来有点像追逐独角兽——事实上，一些大胆的研究生在LUX设施周围到处放置了小小的纸质独角兽——但有一个巨大、令人兴奋、令人抓狂的事实：暗物质确实存在。

隐形证据

你可能会问，我怎么能如此肯定地说出来。事实上，你们中的许多人确实会在Twitter、Facebook和在线评论区提出这个问题。这个问题值得一个认真的回答。

暗物质的论证始于20世纪30年代，当时两位截然不同的天才发表了两篇论文：一位是严谨的荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort，他也提出了奥尔特云假说），另一位是爆发式的瑞士裔美国宇宙学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）。奥尔特注意到，我们星系内恒星的运动暗示存在大量的额外未见、黑暗的物质。兹威基则将论证推得更远，他指出，除非有更多看不见的物质的引力束缚，否则整个星系团将会分散。

奥尔特和兹威基当时的数据有限，但他们的结论却出奇地坚实。到了20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）用同样的基本论点，以更令人信服的细节表明，螺旋星系之所以能保持其形状，是因为附近暗物质的引力粘合作用。

一旦同行们开始认真对待这个想法，他们便在各个地方都看到了暗物质的身影：几乎所有星系的形成、运动和聚集的方面都表明，其质量远大于可见恒星和星云所能解释的。

至此，情况变得更加有趣和复杂。大爆炸的理论模型可以精确计算早期宇宙的组成。这些计算反过来又表明了宇宙中普通物质的精确含量。在20世纪80年代，研究人员将这些数字输入计算机，得出了一个硬性预测：星系团的推断质量中，只有大约六分之一是由原子组成的。那么，不仅它们的大部分物质是暗的，而且暗物质根本就不可能是我们由之构成的物质。

从20世纪90年代开始，对宇宙微波背景（大爆炸的余晖）的研究为这个惊人的想法提供了另一种检验。早期宇宙的“回声”在微波背景上留下了一个可辨认的模式，这取决于普通物质与暗物质的比例。2013年，普朗克卫星对此比例给出了最终的读数。结果依然是：六分之一是普通物质，五分之六是暗物质。

但还有更多！因为暗物质不与辐射相互作用（如果相互作用，我们就能看到它的光），所以它比原子更能有效地聚集在一起，而原子倾向于加热和活跃。暗物质的有效聚集使其能够形成致密的斑块，从而促进了第一个星系的形成。将暗物质纳入模型，它们就能在很大程度上解释现代宇宙的结构。没有暗物质，模型将彻底失败。

一些研究人员，尤其是以色列魏茨曼研究所的莫迪海·米尔格罗姆（Mordehai Milgrom），已经看到了这些推断中的一个可能缺陷。几乎所有暗物质的证据最终都取决于它的引力效应。米尔格罗姆认为，宇宙看起来奇怪的原因可能不是因为暗物质，而是因为标准的引力理论稍微有些错误。

他论点的症结在于，没有一种单一的引力修正能够解释上述所有不同的现象。要让一切都吻合，需要一种新的引力理论，加上一些未被发现的远程力，并且仍然需要在其之上附加一些奇异的暗物质。我们无法逃避这个黑暗的真相。

黑暗中的光明

暗物质不是一个猜测，也不是某种科学的障眼法。它是一种真实的、物理的存在，通过多种独立的证据间接但确切地被发现。

这些证据让天文学家处于一个令人不安的境地，因为宇宙的大部分仍然缺失。幸运的是，当前的情况仍然为我们留下了许多可供探索的空间。在LUX实验完成后，相关研究人员将重新组合，建造一个名为LUX-ZEPLIN（听起来像个乐队名字）的升级版本，或称LZ，其规模和灵敏度将是LUX的10倍。与此同时，一个竞争团队正在升级一个名为夸克暗物质实验（ADMX）的装置，该实验将搜索轴子，这是一种假设的微弱粒子，其微弱程度足以让它毫无阻碍地穿过LUX而未被探测到。

对暗物质的持续研究是一项宝贵的“探索联系”的实践——不仅在于不同科学领域之间，也关乎人类与宇宙之间的联系。

这两种方法都有可能失败。然后，寻找暗物质的过程将变得指数级困难，尽管不一定不可能。暗物质粒子可能偶尔会相互湮灭，产生可见信号（就像现在已证伪的费米观测结果一样）。或者它们可能相互作用产生有序结构，例如在我们银河系中嵌入的一个薄薄的暗盘。暗盘可能会产生一种不祥的影响，大约每3000万年就会引力失稳我们的太阳系，并释放出一次彗星雨。这样的彗星雨可能会引发一次大灭绝——因此兰德尔将暗物质与恐龙联系起来。

各种天空观测项目，无论是来自太空还是地面天文台，都在寻找我们银河系内外存在的暗结构。无论它们是否证实了兰德尔关于暗物质的特定模型，这些观测项目都将提供更多关于暗物质行为方式及其可能构成的信息。它们将提供一个更精确的、包含可见和不可见所有物质的宇宙图景。最重要的是，兰德尔说，对暗物质的持续研究是一项宝贵的“探索联系”的实践——不仅在于不同科学领域之间，也关乎人类与宇宙之间的联系。

暗物质在引起困惑的同时，也带来了启迪。它就在我们身边。它几乎可以肯定地正在穿过你。没有它，我们的银河系就不会存在。我们确实 owe 它我们的生命。