就像好莱坞的《捉鬼敢死队》一样，物理学家迈克尔·特纳和伯纳德·萨杜莱特正在追逐虚无缥缈、难以捉摸且怪异的猎物：它甚至可能不存在。他们的高风险狩猎需要勇气——更不用说技能、想象力、金钱和运气了。然而，他们的追求得到了物理学界的良好支持。这是因为他们正在设置陷阱的这些仍是假设的粒子，可能——只是可能——是我们宇宙的主要成分。目前，这些粒子纯粹是理论的产物；即使是方程也告诉我们它们几乎不可能被观察到。诀窍在于：你如何去寻找一种本质上几乎不可见的东西？这就像试图抓住一个想法。
两位科学家都在寻找被称为暗物质的神秘物质。它是暗的，因为它无法通过任何传统方式检测到。它是物质，因为它具有引力。物理学家相信暗物质的存在，因为有压倒性的证据表明，某种看不见的东西正在施加强大的引力。在局部，这种力使得星系外缘的恒星以比它们应有的速度更快地绕行；在全球范围，它塑造了宇宙的形状。萨杜莱特说，这可能是终极的哥白尼革命。我们不仅不在宇宙的中心，甚至可能不是由与宇宙相同的物质组成的。
事实证明，萨杜莱特和特纳甚至没有在寻找相同类型的物质。这两位物理学家的暗物质候选粒子都将像幽灵一样穿过人、行星以及物理学已知的几乎任何粒子探测器，但相似之处到此为止。萨杜莱特的超中性子可能比特纳的轴子质量大数十亿倍。它有着丰富的社交生活，可能与其他许多粒子有微妙但可能重要的接触。轴子几乎不与任何东西相互作用：找到它的最好方法是尝试让它变成其他东西。
就像他们寻找的粒子一样，这两位物理学家代表着截然不同的风格。43岁的特纳是一个热情洋溢、充满活力的人，他的带钉自行车鞋在硬核芝加哥郊外的未来主义费米国家加速器实验室的走廊里咔嗒作响。穿着整洁、举止优雅的萨杜莱特，48岁，在一个更庄重的学术氛围中茁壮成长，那是一座传统的教学楼，在时尚的伯克利，里面有柱子。特纳的讲话是一连串精心编织的俏皮话，充满了美式热情。萨杜莱特的评论则有所克制，被柔和的法国口音所调和。
就连他们为捕捉选定粒子而建造的暗物质探测器也截然不同。萨杜莱特获得了一笔数百万美元的拨款，用于建造一个由拳头大小的锗晶体制成的超冷、超精密的设备。特纳和他的同事们渴望世界上最强大的磁铁的蛮力——他们正努力以跳楼价从一个项目失败的政府实验室那里购买二手磁铁。
暗物质问题是一个难题。二十多年来，它一直困扰着天体物理学家、宇宙学家和粒子物理学家。问题的症结在于：星系外缘的恒星运行速度惊人地快——事实上，它们运行得如此之快，以至于如果不是某种未知力量将它们固定在原处，它们自身的惯性早就将它们甩入太空。这种力量几乎肯定是引力，但它由什么提供呢？可检测的物质最多只占所需引力的10%。更重要的是，宇宙学家认为，整个宇宙的快速膨胀正在逐渐停止，显然被每块物质对其他每块物质施加的引力所减缓；但是，当我们称量所有已知的物质时，它只有阻止膨胀所需量的百分之一。
这是一个复杂的问题，已从许多角度进行了探讨。例如，一个很好的初步方法是思考宇宙中是否有大量我们不容易看到的普通物质。事实上，情况几乎肯定如此。一类被称为MACHO（大质量天体致密晕天体）的物体包括相对普通的候选者，如老化中的褐矮星、黑洞和不足以点燃的恒星——所有这些都无法被望远镜和大多数其他探测器看到。物理学家确信，所有这些形式的相对非奇异暗物质都大量散布在星系中。“你可以把这些东西当真，”特纳说。“谁说所有物质都必须发光？”
但是这些物体所代表的质量是有限的。物理学家已经得出结论，非奇异暗物质所能提供的质量不超过阻止宇宙膨胀所需质量的20%。特纳说：“证据只朝一个方向发展。”“那就是朝向一个巨大的鸿沟，介于普通物质密度和我们宇宙中所有物质密度之间。”
毋庸置疑，关于这种非凡物质的性质，猜测层出不穷。物理学家有义务寻找新粒子的第一个地方是标准模型，即物质结构的完善理论。标准模型描述了自然界的基本粒子——夸克、电子、中微子以及少数电子的近亲——并详细说明了夸克如何结合形成常见的粒子，如质子和中子。但标准模型中没有一种粒子符合暗物质的基本要求。即：它不能是普通的；它必须是稳定的；它必须有质量。这很可能意味着解决暗物质之谜的可能性取决于发现一种新粒子。
为了找到它，物理学家们将标准模型推向了极限，在合理与可能之间的未知领域边缘之外进行搜索。当特纳等待奇异轴子落入他的磁阱时，萨杜莱特在寻找超中性子时，则将赌注押在了被称为超对称性的高度推测性理论的产物上。并非两位物理学家正在直接竞争。在已发表的著作和一般对话中，他们都坚称对方的观点同样有可能是正确的。只有在稍加“怂恿”之后，他们才愿意承认一点点偏袒。“如果我不认为超中性子是正确的，我就不会做这个，”萨杜莱特说。特纳说：“一个以洗衣粉命名的粒子怎么会出错呢？”
当然，证据将在于探测。为此，两人都在推进雄心勃勃的项目，这些项目将定义其类型探测器的终极。没有什么比这更重要的了；如果曾经有两种粒子不适合探测，那就是轴子和超中性子——这些粒子似乎是为与物理学家玩捉迷藏而量身定制的。
迈克尔·特纳办公室的装饰，嗯，很独特。在他办公室墙壁上每一寸可用空间和天花板上都贴满了数百件纪念品和视觉琐事，其中包括他被烧焦的征兵卡、罗纳德·里根第一次总统就职典礼的邀请函、《神奇女侠》咖啡杯、白领工作风险排名（飞行员第一，物理学家第七），以及一艘小型电动飞艇。特纳毫不掩饰地解释说：“我喜欢玩具。”
也许这就是特纳决心要得到世界上最大的磁铁的原因之一。但他对小玩意儿的喜爱具有误导性：特纳不是实验物理学家，而是理论家。然而，他的名字总是与寻找轴子联系在一起，甚至比那些实际执行搜索的科学家还要多。他说：“这是一个个性问题。”“我善于表达我的热情，所以我赢得了轴子啦啦队长的声誉。”在履行他作为假设粒子发言人的职责时，特纳得以比其他科学家获得更多自由。例如，他关于轴子的著作中充满了感叹号，这种标点符号在物理学文献中很少见到。
他通往轴子的坎坷之路，只是他非传统风格的又一体现。在洛杉矶长大后，特纳于1967年进入加州理工学院主修物理学，他解释说，那里的新生中有四分之三的人都计划赢得诺贝尔物理学奖——直到第一次测验。他通过了筛选过程，并于1971年进入斯坦福大学攻读粒子物理学研究生。但物理学很快失去了吸引力。当他沉浸在当时的政治中时，他所选择的领域似乎与真正的人类问题越来越遥远。“晚餐时，当我的医学院室友谈论救死扶伤时，我却在谈论解积分。我感到非常沮丧。”
1975年，特纳休学。他在斯坦福医学院担任动物饲养员，并在业余时间经营汽车修理生意。但物理学并没有放弃他。尽管他很反感，但他还是中断了休假，上了一门广义相对论课程，并觉得自己迷上了宇宙学。当另一位教授给他提供研究机会时，特纳抓住了。他投入到引力波的研究中，最终于1978年获得博士学位，距离他进入斯坦福大学已有七年之久。他说：“我告诉人们我是荣誉退休研究生。”
面对哈佛大学和芝加哥大学的奖学金邀请，特纳访问了“风城”，对中西部城市中心的生活前景持怀疑态度。但他从未离开。他解释说：“芝加哥是一座被低估的城市，这有利于大学的招聘人员。”“游客们对这里有多棒感到惊讶，他们简直不敢相信。此外，这是一所很棒的学校，对年轻教员非常培养——不像斯坦福大学，例如，它会屠杀年轻人。”特纳很快就被早期宇宙中各种粒子如何影响其最终命运，包括星系等特征的形成等问题所吸引。他说：“这对我来说非常棒。我读研究生时学习了粒子物理学，然后是宇宙学，现在我正在这两个学科的交界面工作。”
自从在斯坦福大学以来，轴子一直是吸引他的一个粒子。特纳见证了它的诞生。当这个粒子意外地作为与宇宙学完全无关的问题的解决方案的一部分出现时，他是一名研究生。实验表明，在中微子在电场作用下翻转的频率比标准模型预测的低100亿倍。1977年，当时都在斯坦福大学的罗伯托·佩切伊和海伦·奎因通过修改标准模型解释了这种无法解释的扭曲。物理学家弗兰克·维尔切克和史蒂文·温伯格注意到，佩切伊-奎因模型还产生了一种新的粒子家族成员，它具有一种被称为轴对称性的数学特性。维尔切克将其命名为轴子——以流行洗涤剂命名。
如果轴子存在，那么没有人找到它也就不足为奇了：它将是物理学家们所能遇到的最难以捉摸的粒子之一，其原因在于探测本身的性质。为了在宇宙中表现出它的存在，一个粒子（或一棵树，或一个星系）必须影响其他事物。换句话说，它必须留下自己的“指纹”。大多数粒子都是通过它们与普通物质中的电子或其他粒子相互作用时留下的痕迹来探测的。然而，轴子和超中性子只通过所谓的弱力与宇宙的其他部分相互作用——之所以“弱”，是因为这些相互作用发生的概率很低。而轴子是所有粒子中最不可能相互作用的。
然而，轴子确实有质量，尽管它的质量可能比一般质子小几十亿倍。尽管如此，轴子可以无限数量地挤在一起——没有任何限制可以占据同一空间。在这方面，轴子不像超中性子，也不像构成普通物质的粒子，这些粒子相互保持一定距离，这种特性赋予原子和分子其结构。因此，如果轴子是真实的，它可能以巨大的数量存在于星系内部。在宇宙冷却时，轴子在空旷空间中结晶形成后，将继续对所有其他物质施加强大的引力影响。
1982年，在剑桥大学的一次研讨会上，轴子被讨论为暗物质的候选者，特纳对轴子的兴趣再次被激发。但那时物理学家们已经认定，这种被称为“不可见轴子”的粒子，是无法探测的。
然而，一年后，佛罗里达大学的皮埃尔·西基维确定，也许有一种方法可以让轴子最终显现出来。他计算出，一个足够强的磁场可能偶尔会导致轴子分解，将其转化为光子，即电磁辐射粒子。虽然一个微不足道的光子不足以提供太多信息，但至少理论上存在探测它的可能性。西基维和长岛布鲁克海文国家实验室的阿德里安·梅利西诺斯在20世纪80年代中期都致力于设计轴子探测器。基本思想是让尽可能多的轴子转化为光子，并以某种方式防止这些少量光子被太空中和物质中不断弹跳的无数其他频率的光子所淹没。无论你将探测器密封得多么好，噪音问题都是棘手的——尤其是当你处理像轴子这样难以捉摸的粒子时。
两位物理学家确定的设计本质上是相同的：一个强大的磁铁围绕着一个微波腔——本质上是一个内部壁反射的大盒子。轴子穿过盒子时，在磁场的作用下应该转化为光子；光子会在壁上反弹。过一段时间，另一个经过的轴子会在盒子里分解，提供另一个光子加入第一个。最终，足够多的光子可能会加入这个队列，产生一个超微弱的微波信号，该信号可以被一个调谐到精确频率共振的接收器接收。它确实需要一个灵敏的接收器；正如耶鲁大学的劳伦斯·克劳斯所指出的，如果这个装置放大到太阳的大小，它只会产生一个能量足以点亮一个灯泡的轴子信号。特纳说：“这有点像《梦幻之地》。”“建造一个微波腔和一个磁铁，它们就会来。两位物理学家组装了他们的探测器并等待，但当然，事情通常不会像电影中那样发展。特纳说，磁铁不够大，所以轴子没有来。”
不幸的是，进一步的计算表明，即使是能想到的最大磁铁也不太可能捕捉到轴子。1989年4月，特纳参加了一次旨在结束该项目的会议。西基维、梅利西诺斯和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的卡尔·范·比伯也在场。特纳回忆说：“那本应是轴子的安魂曲。”“但在最后一次午餐时，我们谈论了如果我们试图找到能量是我们一直在寻找的轴子的十分之一的轴子会发生什么。我们都惊讶地发现，事情突然变得容易多了。小组最初的估计是基于对假想典型轴子的计算，但小组决定，没有理由认为轴子不会以一种能量较低的版本出现——这种版本在磁铁的推动下更容易转化为光子。突然，捕捉轴子并解决暗物质问题的诱惑也抓住了特纳本人。”
磁铁仍然需要比他们一直在使用的磁铁大得多。事实上，该小组意识到世界上只有一个可用的磁铁足够强大：一个小型货车大小、甜甜圈形的超导锡罐，在劳伦斯利弗莫尔生锈。这个政府运营的实验室为核聚变试验设施获得了这个磁铁，但很快就放弃了这个想法。特纳说：“这是有史以来最大的尴尬之一，一个价值5亿美元的项目在委托的第二天就被退役了。”但聚变的损失可能是轴子的收益：该小组迅速对这个磁铁提出了投标。
实验的内部装置已经就位，现在所需要的只是一个足够强大的磁场。如果物理学家们得到他们的磁铁——以及他们申请的200万美元适度拨款——特纳认为他们很有可能找到轴子，尽管他们早期的经验不尽人意。他说：“物理学就是这样。”“你从不可能的事情开始，然后尝试做其中的一部分，然后不断改进你的努力。”
站在旧金山国际机场的行李托运队伍中，伯纳德·萨杜莱特抱怨又要去华盛顿与资助机构讨论他的工作进展。他叹了口气：“我讨厌把所有时间都花在行政事务上。”但政府不太可能放松提问。当你给某人几百万美元时，你不得不好奇你到底用这笔钱得到了什么。
萨杜莱特希望交付给他的资助者和我们其他人的是超中性子。从某种意义上说，这是他一生大部分时间都在寻求的东西。萨杜莱特在巴黎综合理工学院获得物理学学位，并于1970年在日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）获得了奖学金，那里是世界上寻找奇异粒子的最卓越设施。1973年他的奖学金结束后（欧洲核子研究中心规定不对30岁以下的人提供永久职位），萨杜莱特去了伯克利；在那里，他加入了由伯顿·里希特领导的团队，发现了J/ψ粒子，里希特因此获得了诺贝尔奖。在萨杜莱特30岁生日时，欧洲核子研究中心向他提供了合同。
回到日内瓦后，萨杜莱特与卡洛·鲁比亚一起寻找W和Z玻色子粒子——这次寻找最终成功了，再次为萨杜莱特的上司赢得了诺贝尔奖。但到了1984年，萨杜莱特对欧洲核子研究中心的局面感到不满，那是一个无论从哪个标准来看都充满争议的环境。他说：“众所周知，那并不是一个最和平的环境。”“鲁比亚和我争论很多，我最终决定最好分开我们的轨道。”
那一年，萨杜莱特在伯克利休假，并开始涉足宇宙学。他喜欢他所看到的一切。他说：“关于粒子物理学，有许多问题由于涉及高能量而超出了加速器的范围。”“我们必须依靠其他线索来了解这些能量尺度下的物理学是什么样的。早期宇宙的宇宙学是观察这类效应的一种方式。”此外，他说，他更喜欢宇宙学中通常由六人左右组成的小团队，而不是粒子物理学中由数百人组成的巨大加速器团队。伯克利向他提供了教授职位，他接受了。
暗物质问题立刻吸引了他。萨杜莱特说：“我特别着迷于宇宙中可能存在构成99%宇宙的物质，而我们却不明白那是什么。”更好的是，这个难题要求他做他一直最擅长的事情：寻找新粒子。
萨杜莱特是一位实验主义者，但他对基本概念的理解与大多数理论家不相上下，这在这个专业化时代是一种罕见的能力。伯克利物理系研究生、萨杜莱特团队成员汤姆·舒特惊叹道：“他教授广义相对论。我不知道还有多少其他实验主义者能在那个水平上教授这类学科。”此外，舒特说，萨杜莱特不是顶级研究团队中常见的强迫症式领导者。舒特说：“我想他在欧洲核子研究中心的经历后，决定在这里真正努力改变一些事情。”“他创造了一个非常健康的环境。”
这并不是说萨杜莱特不专注。从他迷上暗物质问题的那一刻起，他就一直关注着中性子。他认为他知道如何捕捉到一个。
超中性子比轴子重得多，属于一类统称为WIMP（弱相互作用大质量粒子，这个词讽刺地是由特纳发明的）的粒子。它来自标准模型的另一个推测性扩展。被称为超对称理论的理论本身就很有吸引力，因为它假设宇宙中所有各种力粒子在极高温度下（即大爆炸后瞬间的宇宙温度）熔合其差异时是相同的。只有当宇宙冷却时，粒子和力才冻结成它们现在的状态。（想象一个雪人、一个冰屋和一个冰雕天鹅；在足够热的阳光下，它们都会变成一滩清水。同样，电子、质子、轴子、超中性子等等都只是冻结能量的不同配置形式。）
重新修正物理定律以适应一个超对称的宇宙，也产生了一个新的粒子家族，其中大多数粒子几乎会立即转化为普通物质。但超中性子可能一直存在于今天的低能量宇宙中。超对称性大致预测了有多少这样的幸存者在漂浮；当你将它们的质量加起来时，你会得到一个与宇宙中缺失暗物质总量估计值相符的数字。萨杜莱特说：“这可能是一个数字巧合。”“但大自然有如此大的数字范围可以玩；为什么它会恰好选择正确的那个呢？”换句话说，如果你丢失了一袋12,000个硬币，然后又找到了一袋12,000个硬币，那可能是别人的硬币，但是……
当萨杜莱特第一次思考如何捕捉超中性子时，他意识到他必须建造一个比现有任何粒子陷阱都灵敏得多的陷阱。捕捉难以捉摸的粒子的标准方法是让它撞击目标，击出电子。被击出的电子很容易被探测到，因为它们带电，因此几乎与所有事物相互作用。最灵敏的探测器使用硅或锗晶体作为目标，因为这些材料中的电子与周围的原子结合松散；即使是最缓慢的普通粒子也能从这样的目标中踢出数百甚至数千个电子。
但超中性子并非普通粒子。它只有大约十分之一的能量足以从硅或锗中击出一个电子——当然，前提是它能被诱导发生相互作用。即使探测器能够被说服捕捉到超中性子碰撞中释放出的稀有电子，它也无法可靠地将它们与由其他来源产生的电子区分开来——特别是来自太阳、宇宙、周围地球甚至探测器本身的高能粒子流的不断辐射。
萨杜莱特需要一个不仅灵敏，而且具有辨别力的探测器。萨杜莱特解释说：“问题在于我们对这些事件的信息不足。”“我们只是想测量一个数字，很容易受到大量干扰，导致这个数字波动。我们需要一些冗余。”
三年前，萨杜莱特想出了如何获得第二个信号，该信号将提供冗余并确认超中性子的发现。当超中性子撞击硅或锗目标时，它会直接深入原子核，将整个原子从其整齐的晶格中撞出。原子会穿过晶体，产生振动，并使温度微升约百万分之一度。不幸的是，这种微弱的信号在室温下是无法探测到的；晶体目标的随机晃动很容易产生同样多的热量。舒特说：“这基本上就像把一根火柴扔进一大桶熔化的钢水中。”
因此，萨杜莱特开始计划建造一种新型探测器，将目标材料的温度降至接近绝对零度（约-460华氏度）。在那些极冷的深度，随机振动将被有效地平息，而碰撞的中微子的微弱咔嗒声将能够被听到。
无论是自由电子的存在还是这种振动能量本身，都不足以确定是中微子而不是某种假冒者撞击了。但是，只有中微子——以其每秒200英里的巡航速度和无法进行电相互作用的特性——才能在少量电子脱落的同时产生相对强烈的振动。这种信号组合将是中微子独有的特征。
1990年，萨杜莱特和他的合作者开始研制一个原型探测器。这个原型探测器现已上线，包含60克锗，这块大小仅够每三个月捕获一个超中性子，尽管每秒会有数百万个超中性子穿过它。即使有了冗余方案，如此小的计数仍会被背景辐射淹没。
因此，萨杜莱特的小组目前正在设计一个更大的探测器，包含500克锗，预计明年投入使用。它将安置在斯坦福大学的一个小型地下设施中，能够将超中性子计数提高到大约每十天一个。此外，该小组正在努力提高振动探测方案的灵敏度，以消除虚假触发。萨杜莱特说：“我们现在有90%的拒绝率，我们希望能将其提高到99.9%。”这意味着每1000个虚假信号中只有一个会被误认为是超中性子——这是一个可接受的噪声水平。然而，可能无法实现这一点。如果仍然有太多虚假信号欺骗探测器，该小组最终可能会将实验埋在深矿中，以利用周围岩石提供的自然屏蔽。萨杜莱特希望那是不必要的。他说：“我可能在吹牛，但我认为我们已经接近我们所需的灵敏度和拒绝阈值。”
目前，暗物质的身份仍然是一个悬而未决的问题。萨杜莱特耸耸肩说：“对我来说，是轴子、超中性子还是其他什么都不重要。”“我认为没有地域主义的空间。”
特纳表达了同样的承诺，将对科学真理的追求置于个人成就之上——尽管他也指出，泰然自若也有其限度。“当你有许多想法要追求时，品味很重要。而我喜欢轴子。”
只有时间才能证明这两位物理学家中哪一位品味正确，哪一位能最终揭示隐藏宇宙的真正本质。
暗物质……并非如此？
1933年，在大萧条时期，加州理工学院的天文学家弗里茨·茨维基注意到，距离我们3亿光年的后发星团中的星系运行速度过快，令人不安。茨维基向一家瑞士期刊报告说，该星团一定充满了大量的“dunkle Materie”，即暗物质。这种看不见的物质——比肉眼可见的发光恒星和气体云多达十倍——将是维持这个活跃星团不致解体所需的引力胶水。
在茨维基发现时，星系的概念还很新鲜；这些位于银河系海岸线之外的“岛屿宇宙”仅仅在九年前才被发现。天文学家们自然地认为，对星系运动的更好理解最终会揭示茨维基的暗物质只是一个海市蜃楼。然而，到了20世纪80年代，大多数天文学家都已确信“dunkle Materie”是真实存在的。大量的无线电和光学证据——其中大部分由天文学家维拉·鲁宾编目——表明，隐形物质的弥漫光晕包围着大多数星系，甚至可能遍布整个宇宙。
然而，直到今天，仍有少数人持怀疑态度。他们试图证明，暗物质可能只不过是一种幻觉。“宇宙学上重要的‘缺失质量’问题可能与质量无关，”田纳西州罗德学院的射电天文学家格里特·费尔舒尔说。“这可能是一个‘抓不住重点’的问题。”
一部分失望源于暗物质爱好者未能找到合适的嫌疑犯。观察者们用他们的望远镜向外扫描银河系的边界，寻找MACHO，即难以看见的大质量天体致密晕天体，如微弱的恒星、黑洞、木星般的行星和微弱的褐矮星，这些物体距离提供维持恒星核火所需的质量仅差一点。与此同时，物理学家们坚信暗物质是亚原子性质的，他们转而向内研究，设置了极其灵敏的探测器来寻找WIMP，即弱相互作用大质量粒子，它们可能像穿过虚无缥缈的薄雾一样穿过地球。但到目前为止，还没有发现成群的褐矮星，地下探测器也尚未捕获到一个WIMP粒子。
一些特立独行的科学家开始怀疑，最初预测暗物质的珍贵理论是否可能存在缺陷。一位主要的“叛逆者”是以色列天体物理学家莫德海·米尔格罗姆。十多年来，他一直在参加暗物质会议，并敦促他的天文学家同事们考虑一种相当激进的解决暗物质问题的方法：一套全新的引力定律。
几乎所有支持暗物质存在的论点都依赖于艾萨克·牛顿爵士提出的引力和运动定律。正是牛顿首次描述了引力与恒星和行星等天体的轨道速度之间的关系。想象一个物体（比如地球）围绕一个大质量引力源（比如太阳）运行。地球受引力牵引而落向太阳。但太阳的表面却在地球下方弯曲。因此，由引力引起的持续下落转化为圆形运动——即轨道。引力越强，轨道速度越快；物体越靠近，引力越强。所以，最靠近太阳的水星以每小时107,000英里的高速旋转，而遥远冥王星则以每小时10,500英里的平稳速度运行。同样，螺旋星系遥远边缘的恒星，远离其大质量核心，预计将以相对缓慢的速度运行。
但在数百个螺旋星系中，螺旋边缘的恒星和气体似乎与靠近中心的物质以相同的速度运动。就像在圆形跑道上赛跑的实力相当的短跑运动员一样，外道上的运动员与内道上的运动员速度相同。天文学家不愿放弃牛顿定律，只能得出结论：每个星系都嵌入在一个巨大的额外物质球体中，该球体将引力延伸到星系的遥远范围。
然而，对米尔格罗姆来说，星系外围恒星异常快的速度可能是一个迹象，表明牛顿定律在我们周围环境中如此可靠，但在引力稀薄到几乎听不见的领域中却失效了。他已经发表了几篇论文，展示了如何修改牛顿方程以解释奇特的星系自转。
牛顿定律可能出错的想法几乎称不上异端邪说。毕竟，爱因斯坦证明牛顿的引力定律是不完备的，在特殊情况下会失效。米尔格罗姆指出：“当物体接近光速时，牛顿定律就会失效。”“为此，我们需要爱因斯坦的相对论。我提出的观点是，当引力加速度非常非常小的时候，就像在星系的边缘地带那样，牛顿定律也必须修正。”米尔格罗姆对牛顿定律的调整，事实上，在再现观测到的星系自转方面非常成功，这一点得到了暗物质专家的认可。然而，他的修正尚无法与广义相对论相协调，广义相对论是一种更为详细的引力理论，迄今为止通过了每一次检验。在此之前，米尔格罗姆的想法仍存疑。
加州理工学院生物物理学家罗伊·布里滕也一直在思考暗物质是理论多于实质。以其在DNA序列方面的工作而闻名，布里滕在华盛顿卡内基研究所工作期间，利用业余时间开始思考暗物质问题，当时维拉·鲁宾正在那里整理她所有重要的数据。在最近的一篇论文中，布里滕提出，涉及引力子粒子的某些相互作用可能导致引力强度发生变化，这种变化只有在星系距离的巨大尺度上才变得明显。
引力子目前仍是假想粒子，但粒子物理学家认为它们负责传递引力，就像光子传递电磁力一样。布里滕提出，一些引力子在被质量发射后，可能会被空间本身的真空偏转或散射。由于这些引力子不会立即被另一质量吸收，它们开始像香水分子飘过舞池一样扩散到整个星系。随着时间的推移，引力子会累积，因此星系会产生更强的引力场。引力的这种增强使得星系外部部分能够更快地旋转，而无需额外的物质。在布里滕的方案中，是引力子，而不是暗物质，提供了额外的引力粘合剂。
现阶段，布里滕认为自己的努力不过是一个思想实验。他坦率地承认：“这都是推测。”“目前还没有人知道引力子是否能够以这种方式散射。”
其他科学家认为，当考虑到星系和星团内部的其他作用力时，对暗物质的需求可能会简单地消失。格里特·费尔舒尔的研究已经证明了磁力在星际气体云的形成和维持中扮演的角色，他想知道磁力是否也可能以某种方式模拟所谓的暗物质效应，尽管到目前为止他还没有任何想法。
暗物质爱好者们不为这些论点所动。作为暗物质真实存在的证据，他们指出安东尼·泰森及其AT&T贝尔实验室的同事最近进行的令人信服的观测。这些研究人员一直在观察可见宇宙边缘的大量微弱蓝色星系。当来自这些遥远星系的光线在前往地球的途中经过一个居间星系团时，光线会被星系团的巨大质量引力偏转。整个星系团就像一个巨大的引力透镜。利用计算机程序跟踪这种光的弯曲，泰森可以直接评估星系团中的物质总量。其中大部分，约90%，竟然是暗物质。
此外，观测到的星系动力学并非相信暗物质的唯一原因——至少对某些人来说不是。事实上，科学界内并存着两个截然不同的暗物质问题，它们偶尔才会重叠。第一个问题——星系和星团周围的暗物质——现在几乎被所有严肃的天文学家所接受。第二个问题更具争议性：它暗示整个宇宙可能有多达99%的物质隐藏着。这第二个暗物质场景来自宇宙学家，他们担心宇宙的宏大结构和命运。他们有理由怀疑膨胀的宇宙正在滑向一个美学上令人愉悦的平衡点，正好处于永远向外膨胀和自身坍缩的边缘。看不见的质量将提供所需的引力作用，以防止快速移动的星系永远冲向外部。这个理论之所以吸引人，是因为它意味着星系及其居民（包括我们）都不会注定永远乘坐时空膨胀的浪潮进入无尽的虚空。
1980年，现麻省理工学院的艾伦·古斯提出，我们的宇宙不仅以大爆炸开始，而且以时空突然爆发，其速度超过光速——一种被称为暴胀的宇宙喷嚏，当时时空像科幻电影中的曲速飞船一样爆炸。古斯的理论为长期困扰宇宙演化之谜提供了大量答案，包括使宇宙达到这一临界平衡点的机制。然而，在此过程中，它预测暗物质将比发光物质重100倍。如果暴胀真的发生了，那么所有这些额外的物质在哪里呢？
如此庞大的暗物质池缺乏实质性的观测证据，这使得一些宇宙学家开始怀疑我们对宇宙的理解是否存在根本性错误。少数人甚至开始重新审视爱因斯坦几十年前提出但很快放弃的一个概念，他称之为他科学生活中最大的错误。在所有关于缺失物质的替代解释中，这个被最认真地对待。
1917年，在提出他的广义相对论后不久，爱因斯坦在他的方程中又添加了一个项。他是出于绝望而做出这种调整的。当时的天文学家相信宇宙是永恒静态和不变的。但广义相对论预测宇宙应该处于某种运动状态。为了使他的理论与观测结果一致，爱因斯坦通过添加一个额外的项，他称之为宇宙常数，临时修改了他的方程。它本身并未定义物质实体，而是在空旷空间中增加了一种能量，它施加向外压力，恰好平衡了星系之间向内的引力吸引。这个项，正如爱因斯坦所使用的，描述了一种反引力，一种排斥力，最终用于维持现状。然而，1929年埃德温·哈勃揭示我们的宇宙确实正在迅速向外膨胀之后，爱因斯坦很快（且欣然）放弃了这个项。
然而，将一个小的宇宙常数（今天也称为真空能量）重新插入到宇宙的钟表中，可能会产生一些有趣的后果。由于能量和质量是等价的（根据熟悉的公式E = mc2），这种额外能量的行为将与质量完全相同，使宇宙看起来包含的物质比实际多得多。缺失的物质对于防止宇宙解体并非必需；真空能量同样可以完成这项任务。
然而，目前，天文学界似乎更喜欢“老式”的暗物质，而不是用宇宙常数或新的引力定律等复杂因素来搅乱他们最喜欢的模型。暗物质替代品很可能仍将处于理论上的次要地位，至少在未来的证据迫使天文学家重新考虑之前是这样。——马西娅·巴图西亚克
