什么是暗物质？ 即使是最好的理论也在崩溃

暗物质研究令人不安。科学家们在首次注意到星系不像旋转的盘子那样遵循相同的物理定律时感到不安。星系边缘的恒星旋转速度比预期的要快。它们的运动只能用我们看不见的、大量的不可见物质来解释。

当这个领域还是新兴的，想法层出不穷且尚未被证明是错误的时候，这比令人不安更令人兴奋。研究人员将可能性归纳为两大阵营，并配有巧妙的首字母缩写：MACHOs（大质量致密晕天体）和WIMPs（弱相互作用大质量粒子）。

MACHOs 不是答案

MACHOs 是可能性较低的、非奇异的解释。你我发出的光或反射的光都不多，所以完全有理由认为宇宙空间和星系中含有大量我们看不到的东西——行星、不够大以至于无法点亮而发光的恒星、吞噬世界的太空蠕虫——仅仅因为它们是真正意义上的黑暗，而我们没有足够大的手电筒。

然而，我们可以探测到其中一些物体（不是那些蠕虫），因为它们的质量很大，会弯曲周围的光线。它们确实存在，尽管它们是黑暗的，我们也知道它们在那里。然而，它们数量不足以让星系旋转的数学计算成立。如果我们想象一个充斥着黑洞的宇宙，也会出现同样的问题。我们需要随处可见这些弯曲光线的引力透镜，即使我们非常努力地寻找，也看不到。

寻找 WIMPs

因此，天体物理学界大部分人都转向了 WIMPs。或许宇宙中不是充满了巨大的物体，而是充满了我们看不见的小东西。这些可能是像原子一样的粒子群，它们不像地球上我们能触摸、测量和看到的物质那样，不反射或吸收光线或任何其他电磁能量。这个概念更令人不安，如果你还记得科学的规则之一是它应该在宇宙的任何地方都适用的话。我们确实知道中微子存在：微小、几乎没有质量的粒子，几乎不与周围的宇宙相互作用。问题在于它们几乎没有质量。我们无法弄清楚它们的数量是否足以构成我们看不见的宇宙物质的 84%。

那么，或许暗物质是一种我们尚未观测到的全新物体，称为中性微子。研究人员提出了这种粒子的一个合理描述，解释了我们所知的宇宙大爆炸可能如何产生它们，以及它们如何融入标准粒子物理模型而不破坏其他一切。

暗物质是新的以太吗？

但我们已经寻找它们一段时间了。我们建造了极其灵敏、奇特的仪器来寻找它们。这些仪器包括储存在地下数英里深的液态氙的容器，以及寻找暗物质粒子衰变成可见可测量物质（如伽马射线）的望远镜。它包括大型强子对撞机，这是有史以来最昂贵的科学实验之一。但我们还没有找到它们。我们没有找到 WIMPs 本身，也没有找到它们存在的令人信服的证据。

当然，除了无法忽视的持续证据表明宇宙比我们所能看到的要重之外。

此时，令人不安的感觉再次袭来。几十年前，科学家们确信“发光以太”作为传播光的介质的存在。现在，这被视为一种笨拙的信念，本应早该被抛弃。科学家们坚持认为，光就像声音一样，需要一种介质来传播，尽管越来越多的证据反对这一概念。一旦被欺骗过一次，科学家们不得不问：暗物质是新的以太吗？

几十年来，一些特立独行的科学家一直希望获得科学界的认可，他们提出了称为修正牛顿动力学（MOND）的理论。本质上，它认为物理学在最大尺度上的运作方式并非我们所知的那样。它认为我们得出了错误的结论，并且不需要暗物质来解释宇宙。没有人能够开发出一种足够解释我们周围宇宙的 MOND 理论，但它偶尔会获得追随者，仅仅是因为竞争理论暗物质存在一个明显的缺陷：我们找不到它。

也许我们在定义宇宙中最小粒子行为和相互作用的标准模型中存在某些错误，暗物质确实存在，但其形式与我们预期的截然不同。或者，也许我们对引力定律的理解是错误的。

或者，也许，甚至就在明天，一项实验就会在研究人员声称的地点发现一个中性微子。一个粒子将撞击一个超冷氙气罐。LHC 团队将发现一种新粒子。科学是艰难的，纵观科学进步的长河，我们仅仅是昨天才开始寻找暗物质。在有任何改变之前，我们都必须对物理学可能与我们所知大相径庭的令人不安的可能性感到不安。

Korey Haynes 是《Discover》杂志的特约撰稿人。