科學家怎么證明暗物質存在？

戴夫·戈德伯格　劉璐

怎么解釋“我們所看到的宇宙必須有暗物質和暗能量”？暗物質和暗能量是觀測誤差嗎？目前已觀測到的宇宙現象，必須要通過暗物質和暗能量才能解釋嗎？這個觀點是否已經被科學家廣泛接受？

在討論暗物質以前，我寫過幾篇這方面的文章，幾乎總能收到某種反饋，指責物理學家懶惰、頑固，甚至在學術上不誠實。對某些人來說，暗物質似乎像物理學家的胡言亂語，用來掩飾他們對宇宙一無所知的事實。

我們回顧一下，在20世紀20年代，天文學家弗里茨·茲威基發現星系成團成簇地高速轉動，除非有大量非恒星及非氣體形式的物質存在，否則這些團簇用不了多長時間就會四散而去。20世紀70年代，維拉·魯本在單個星系中發現了同樣的情況。據粗略估計，宇宙中95%的物質都是不為我們所知的東西。

將宇宙萬物細分開來，普通物質占5%，暗物質占25%，其余70%是暗能量。

現在我還不想從暗能量開始講，因為盡管暗能量對宇宙膨脹有加速作用，但如果你不理解暗物質，就很難弄明白暗能量。不是我們不大了解暗物質的起源，只是那個“自然”值（基于真空能量所做的合理假設得出）是我們實際觀察到的密度的10倍至100倍。在我看來，這絕對是物理學界最大的問題。

對暗物質高度肯定的所有知識都已在名稱上表現出來。它不帶任何電荷（光與帶電粒子有強烈的相互作用，所以很容易看到），不是由原子構成的，因為原子也比較容易看到。有些人對暗物質如此不屑，是因為他們只看到那些老掉牙到暗物質粒子；②我們實際上不清楚暗物質是什么。

可是，我們有許多理由相信暗物質的存在，因為星系一旦離開暗物質將會分崩離析。下面是三個很好的理由。

一、引力透鏡

光線穿過大質量物體時會發生彎曲，因此我們可以利用背景星系的扭曲圖像繪制宇宙質量圖。我們對數個超大質量的星系團進行了透鏡重建并且發現了許多額外質量，但是只有一個系統備受媒體關注。著名的子彈星系團是兩個星系團碰撞的產物，圖像頂部是碰撞的區域（下圖中紅色部分）。圖片上的藍色表示引力透鏡中顯示的質量所在的位置。無論這些質量由什么組成，都不可能是氣體或恒星。這是迄今最接近“看到”的暗物質的圖像。

在暗物質研究中，透鏡重建具有雙重功能，我們還可以利用它在銀河系里尋找暗星（或許還有黑洞）。只要有一個暗星或黑洞在更遙遠的恒星面前經過，這顆恒星便會被放大。這種想法聽上去很酷，但是我們現在可以肯定地說，銀河系（可能還有其他星系）里存在的黑洞不夠多，不能解決暗物質的問題。

二、大爆炸

即使你相信宇宙中存在未被觀測到的質量，也不意味著暗物質有什么特別奇異之處，它可能就是普通物質，只是不知何故我們看不見而已。我們很清楚宇宙大爆炸過程中氫元素是如何產生的。事實上，化學非常簡單，真正能夠套入的數字只有宇宙中原子質量的密度。例如，如果宇宙中的所有物質都很普通，那么我們看到的氘只有實際的1/1000。

三、歷史先例

事實上我們還從來沒有看見過暗物質粒子，如果因此而止步那就不應該了。1920年，盧瑟福預言了中子（也是一種中性粒子，因此很難檢測到）的存在，過了12年中子才被發現。狄拉克預言反物質的存在，比第一次檢測到早了27年。1930年，泡利預言了中微子的存在，26年后中微子才被發現。我們有很好的追蹤記錄，所以能夠在看到某些物質之前推測到它們的存在；我們有好的理論，所以如果大型強子對撞機或其他實驗設備探測到“最輕超對稱粒子”，那也是意料中的事；如果最終證明是其他什么，我們同樣不會感到驚訝。

這還不是全部。如果在我們的宇宙圖像中加入暗物質，就能非常完美地解釋一切，包括宇宙微波背景中分布的熱暗斑塊以及宇宙的年齡、星系的演變和結構。如果沒有暗物質，這一切都解釋不通。

不過仍然有人可能會問，修正了的牛頓動力學能解釋暗物質的必要性嗎？從根本上說，這是在問如果愛因斯坦錯了怎么辦。當然，愛因斯坦可能會錯。如果是這樣的話，我們的一兩個論點會有點麻煩，但不影響其他。但是牛頓動力學有一個非常大的障礙要克服：它必須能夠解釋相對論。無論到哪天，我都把寶押在暗物質和廣義相對論上。