暗物质——占宇宙 27% 的“看不见的东西”究竟是什么

大家好，我是 Senko。本文将解读现代物理学最大的功课“暗物质”。

学校里学的原子，也就是构成恒星、地球与我们身体的“普通物质”，只占宇宙全部能量的区区 5%。剩下的 95% 里，约 27% 是身份不明的“暗物质”，约 68% 是更加神秘的“暗能量”。也就是说，教科书上的物理学能解释的，只有宇宙的二十分之一。而且暗物质还是“本该有，却找不到”这种实验科学史上罕见僵局的主角。下面把已经弄清的与还没弄清的，整理一遍。

星系转得“太快了”

暗物质的故事，起于“账对不上”这份违和感。

1933 年，瑞士出身的天文学家弗里茨·兹威基在观测大量星系聚集的星系团时，注意到一件怪事：单个星系的运动太快了。光靠看得见的恒星的引力，拴不住这么快的星系。星系团早该四散飞开了。兹威基认为存在大量看不见的物质，靠引力把星系拴住，并给它取名“暗物质”。这个提议在当时几乎没人搭理。

改变局面的，是 1970 年代美国天文学家薇拉·鲁宾的观测。她精密测量了单个星系的自转，查明了一个决定性的事实：星系外缘的恒星，转得比由可见物质算出的速度快得多。太阳系里越靠外的行星转得越慢，星系里却怎么往外走转速都不掉。这条“平坦的转动曲线”在大量星系上得到确认，要解释它，只能认为有可见物质数倍之多的不可见质量，以包裹星系的巨大球状晕的形式存在着。

证据滚雪球，真身仍在黑暗里

此后随着观测技术进步，暗物质的旁证像滚雪球一样增多。

“引力透镜”：巨大的质量会弯折光的通路。从星系团背后星系像的畸变去测质量分布，可见物质完全不够
“宇宙微波背景”：精密观测大爆炸余晖之光的涨落，就能反推宇宙的组成。由此得到了普通物质约 5%、暗物质约 27%、暗能量约 68% 这一现今的标准值
“星系的形成”：模拟显示，若没有暗物质的引力立足点，从大爆炸到现在的时间里，星系与星系团根本长不到这个程度

其中被称作“铁证”的，是两个星系团相撞的子弹星系团的观测。相撞时，气体（普通物质的主成分）彼此撞上而减速，被留在了中央。可用引力透镜测出的质量中心，并不在气体的位置，而在径直穿过去、跑到前面的那一侧。撞上了也照穿不误、却拥有庞大质量的某种东西。再雄辩的证据也难得一见。

也就是说，“有某种东西”已经被多份独立证据钉死了。问题在于，那种东西不是粒子物理标准模型里的任何一种粒子。不发光，不带电，几乎不与普通物质相撞，却唯独施加引力。这样的粒子，现在的物理学手里没有。

地下 1000 米的落空

一直被视为最有力候选的，是“又重、又极少与其他物质相互作用的未知粒子”（统称 “WIMP”）。倘若宇宙里满是这种粒子，地球每秒也该被无数暗物质粒子穿过。只要它极偶尔地与普通原子核相撞，就能被抓住。

全世界都押注在这个剧本上。为了躲开宇宙线的噪声，实验装置被放在地下 1000 米级的矿山或山体隧道里（世界最深的中国锦屏地下实验室、日本神冈矿山都设有探测器）。盯着液氙罐守上好几年，等暗物质粒子弹开原子核时那一丝微光。这类实验每换一代，灵敏度就提高好几个数量级。

结果是，迄今为止全部落空。用加速器造出暗物质粒子的尝试，也没抓到决定性的迹象。灵敏度越高，就越显得“WIMP 若存在，藏得也太凑巧了”，近年对别的候选（被称为轴子的超轻粒子、原初黑洞等）的关注在升温。“宇宙里证据堆成山，实验室里一次也没抓到”——这份不对称，就是暗物质问题的现在位置。

下一批嫌疑人——轴子与原初黑洞

WIMP 落空之后，侦查线上浮出了别的嫌疑人。

第一位是被称为轴子的超轻假想粒子。它本来与暗物质无关，是 1970 年代为解决粒子物理另一个理论难点而提出的，可一查性质，竟与“轻、量大、几乎不相互作用”这份暗物质的招聘条件严丝合缝。瞄准轴子在强磁场中变成微光那一瞬间的专用实验，正在各国推进。

第二位是原初黑洞。若大爆炸刚过时密度的不均匀所生出的小黑洞大量残留在宇宙里，那不必假设未知粒子也能扮演暗物质的角色。这个老想法因 2015 年引力波观测接连发现黑洞并合而重新受到关注。不过多方观测也加强了“光靠原初黑洞把 27% 全解释掉很吃力”的限制，如今探讨的与其说是主角，不如说是共犯的可能。

候选收不拢这件事本身，就道出了这个问题的现在位置。质量的估计因候选不同能差几十个数量级，找法也全然不同。暗物质的侦查，处在既不知道嫌疑人长相也不知道身形，却要同时蹲守所有小巷的状态。

“其实是引力定律不对”这一造反

这里我觉得也该公平地介绍一个从根上不同的可能：“并不是有看不见的物质，而是引力定律在星系尺度上要被修正”这一假说。

1983 年提出的这套修正引力理论（称为 “MOND”），若只看星系的转动曲线，不用暗物质也能解释得惊人地好。实际上，在单个星系行为的一部分上，甚至有比暗物质模型更贴合的例子。只不过，在子弹星系团那种“质量与普通物质待在不同地方”的观测上，以及在宇宙微波背景精密数据的解释上，标准的暗物质模型更占优，主流依然是“未知物质”说。

即便如此，我仍觉得这个对立构图里体现着科学的健康。因为“假设看不见的物质”与“修正定律”，都是历史上有先例的正攻法。海王星就是靠假设“看不见的物质”被发现的，而水星轨道的偏差则是靠“定律的修正”（广义相对论）解决的。暗物质会走向哪一种结局，还没人知道。

它与暗能量差在哪里

名字很像，暗物质与暗能量是两回事吗

完全是两回事，作用毋宁说正相反。暗物质是靠引力把物质拉到一起、把星系捏住的“黏合剂”；暗能量则是让宇宙膨胀加速的“排斥”角色，其存在于 1998 年由超新星观测揭晓（这项发现拿了诺贝尔奖）。共同点只有“身份不明”与“暗”这个命名。占宇宙 68% 的暗能量之谜比暗物质更深，那边甚至连有力候选都收不拢。

暗物质也正穿过我们的身体吗

若有力的模型是对的，那就是这样。暗物质几乎不与普通物质相互作用，所以人们认为此时此刻也有大量暗物质径直穿过您的身体与地球。没有害处（不相互作用就是这个意思）。听着像鬼故事，可中微子这种“几乎照穿不误的粒子”确实存在、每秒有几万亿个贯穿身体，这件事早已定论，所以在物理学上并不算离奇。顺带一提，中微子本身太轻，已知它当不了暗物质的主成分。