“暗物質(zhì)”和“暗能量”是當(dāng)今的天文學(xué)界和物理學(xué)界兩個共同的重大謎團，有些文章中把它們并稱為黑暗雙俠。

今天我們先從暗物質(zhì)是怎么被發(fā)現(xiàn)的開始講起。

01 “暗物質(zhì)”這個名字是誰起的？

1932 年，有一位叫奧爾特的天文學(xué)家觀察到了一個非常奇怪的現(xiàn)象，那就是銀河系的轉(zhuǎn)動速度似乎太快了一點，他覺得銀河系中的恒星似乎太少了，但遺憾的是，限于技術(shù)條件，他的觀測數(shù)據(jù)比較粗糙，什么也證明不了?，F(xiàn)在回過頭來看，奧爾特確實厲害，直覺超一流，他從非常有限的觀測數(shù)據(jù)中就窺到了驚人的秘密。

到了第二年，也就是 1933 年，在美國的加州理工學(xué)院，有另外一個特別有個性的天文學(xué)家茲維基，也發(fā)現(xiàn)了一些與奧爾特類似的奇怪現(xiàn)象。不過茲維基當(dāng)時研究的并不是銀河系，而是后發(fā)座星系團。

后發(fā)座是天上的一個星座，離開北斗的勺柄不遠。在后發(fā)座的這片天區(qū)中，有個巨大的星系團。星系團的中心有兩個巨大的星系，都有銀河系十倍大小，周圍還分布著 1000 個大小不等的星系，它們共同組成了這個巨大的星系團，距離我們 3.2 億光年左右。

后發(fā)座星系團

茲維基研究了這個星系團里的星系情況后，發(fā)現(xiàn)了一個讓他感到非常奇怪的現(xiàn)象。

首先，他通過測量這些星系的光譜，總體上描繪出這些星系都在怎么運動。你可能會好奇，測量光譜怎么能知道星系怎么運動呢？這個知識點我先不展開講，后面幾期我講暗能量的時候會講到?？傊阆扔涀》凑褪强梢浴Ｈ缓?，知道了這些星系之間的相對運動速度，就可以通過天體物理學(xué)的公式計算出這個星系團的總質(zhì)量是多少。天文學(xué)家們就把用這個方式測量出來的星系質(zhì)量叫做動力學(xué)質(zhì)量。

天文學(xué)家茲維基

然后，天文學(xué)家們還可以用另外一種方法來估算這個星系團的質(zhì)量，這個方法簡單粗暴，就是測量這個星系團的總亮度是多少，然后根據(jù)經(jīng)驗公式，計算出星系團的總質(zhì)量，這種方法測量出來的質(zhì)量就被稱為光度學(xué)質(zhì)量。

奇怪的是，動力學(xué)質(zhì)量和光度學(xué)質(zhì)量相差巨大，動力學(xué)質(zhì)量比光度學(xué)質(zhì)量大了 400 多倍，相當(dāng)于是 2 個數(shù)量級，這種差異在天文學(xué)家看來，就很夸張了。

位于后發(fā)座星系團深處的螺旋星系（NGC 4911）的正面視圖

所以呢，茲維基就認為，在后發(fā)座星系團中必定存在很多不發(fā)光的物質(zhì)，而且數(shù)量龐大。于是，茲維基就把這些物質(zhì)命名為暗物質(zhì)。有趣的是，宇宙中最暗和最亮的物質(zhì)都是這個茲維基命名的，最亮的那個是超新星。可惜的是，茲維基并沒有把暗物質(zhì)這件事當(dāng)作太重要的發(fā)現(xiàn)，隨便寫了一篇論文也就過去了，沒有投入更多的研究，他的論文在當(dāng)時沒有引起太多重視。

02 令人心驚的數(shù)據(jù)

在茲維基之后，還有一些天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了類似的奇怪現(xiàn)象。例如，1936 年，史密斯對仙女座大星系的研究似乎印證了茲維基的觀點。1959 年凱恩和沃特研究了仙女座大星云和銀河之間的相對運動，他們發(fā)現(xiàn)我們?nèi)祟愃幍谋拘窍祱F中看不見的物質(zhì)比可見物質(zhì)的質(zhì)量要大 10 倍左右。

仙女座大星云

但是，直到這時候，科學(xué)界對暗物質(zhì)依然沒有給予足夠的重視，其中一個最主要的原因還是在于證據(jù)不夠充分。從這里你也可以看出，科學(xué)研究是多么講究證據(jù)。原因其實也不難理解，每一位科學(xué)家的時間和精力以及經(jīng)費都是有限的，而這個世界上可供研究的課題又那么多，選擇研究課題是一件非常謹慎的事情。

非同尋常的證據(jù)來自女天文學(xué)家薇拉·魯賓的研究，其實魯賓也并不是專門去研究暗物質(zhì)才發(fā)現(xiàn)的證據(jù)，而是無心插柳的結(jié)果。事情是這樣的，上世紀六、七十年代，魯賓選擇了一個在當(dāng)時非常冷門的方向，那就是研究銀河系的旋轉(zhuǎn)。從奧爾特開始，大家用的辦法其實大同小異，但是測量精確度在突飛猛進，數(shù)據(jù)的積累也越來越多。

天文學(xué)家薇拉魯賓

積累的數(shù)據(jù)越多，越讓魯賓感到心驚，銀河系外圍的旋轉(zhuǎn)速度那不是快了一點點，而是大大超出了預(yù)期。為什么這么說呢，因為根據(jù)牛頓的萬有引力定律，離銀心越遠的恒星，應(yīng)該旋轉(zhuǎn)得越慢。但是實際觀測的數(shù)據(jù)根本就不是這樣。離星系中心很遠的那些恒星，運行速度并沒有明顯的減慢，比預(yù)期的速度要快得多。按照這個速度去計算的話，整個星系產(chǎn)生的引力都拉不住這些恒星，星系根本就無法維持，早就該散架子了。可是這些星系已經(jīng)穩(wěn)定存在了上百億年。這是一件非常奇怪的事情。

銀河系

我給你打個比方，假如我們用沙子捏成一個陀螺，讓它轉(zhuǎn)起來，這個沙陀螺就會散架。要想不散架，就必須要用膠水和在沙子中，增強沙子之間的結(jié)合力。我們的銀河系就好像這個沙陀螺，而萬有引力就好像沙子中間的膠水?，F(xiàn)在的情況是，銀河系中如果只有會發(fā)光的可見物質(zhì)提供引力的話，那么銀河系早就該散架了。

魯賓這次的發(fā)現(xiàn)與之前最大的不同在于，她提供的數(shù)據(jù)非常詳細，證據(jù)無可辯駁。所以，到了 1980 年左右，大家都覺得這是一個大問題?？磥硇窍抵泻写罅课覀兛床坏降奈镔|(zhì)，這些物質(zhì)也會產(chǎn)生引力，確保了星系能以更快的速度旋轉(zhuǎn)而不分崩離析。而且這種物質(zhì)似乎與星系的形成有密切關(guān)系。

03 為什么我們看不到暗物質(zhì)？

接下去，科學(xué)家們就開始追問，為什么我們看不到這些物質(zhì)呢？一開始，大家覺得，這不難理解，不過是一些不發(fā)光的氣體云罷了，因為它們太暗了，所以我們看不到它們。就好像地球表面空氣是無處不在的，但是我們也沒辦法用肉眼看到空氣。這是一個非常合理的想法。

還有些人認為是因為在宇宙中的黑矮星數(shù)量非常多，黑矮星就是燃料耗盡而慢慢冷卻的恒星。當(dāng)然，真正讓科學(xué)家們松一口氣的是黑洞理論的興起，如果黑洞是存在的，那么就順便解釋了暗物質(zhì)現(xiàn)象。因為黑洞就是個只進不出的家伙，我們無法直接觀測黑洞。

黑矮星藝術(shù)圖

可是，隨著觀測數(shù)據(jù)的積累，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，即便把上面這些不發(fā)光的物質(zhì)總量全部都按照最大的可能性加起來，星系的總體質(zhì)量也遠遠達不到預(yù)期的質(zhì)量。

估算單個星系的質(zhì)量，有個很巧妙的方法，就是利用引力透鏡效應(yīng)。什么是引力透鏡效應(yīng)呢？根據(jù)愛因斯坦的相對論，大質(zhì)量天體附近的時空彎曲非常厲害，就連光走的都不是直線。假如有個遙遠的天體，它發(fā)出的光在奔向我們地球的途中遇上了大質(zhì)量的星系團。光線也是會發(fā)生彎折的，這個遙遠天體的圖像也就會被扭曲，就好像隔著透鏡看一樣。通過引力透鏡效應(yīng)，就可以計算出半途中碰上的這個星系團總共有多少物質(zhì)。

引力透鏡效應(yīng)示意圖

科學(xué)家們把用引力透鏡效應(yīng)計算出來的星系總質(zhì)量稱為引力質(zhì)量，前面我們講過把通過星系亮度估算出來的質(zhì)量稱為光度學(xué)質(zhì)量?，F(xiàn)在的結(jié)果是，在宇宙中已知的絕大多數(shù)星系，它們的引力質(zhì)量都遠遠大于光度學(xué)質(zhì)量，平均而言，有 6 倍的差距。這也就證明了星系團大部分物質(zhì)是看不到的，但是卻有引力存在。所有能看見的物質(zhì)只有很少一部分。

既然暗物質(zhì)如此之多，為什么我們看不到它們呢？這當(dāng)然就是一個世界未解之謎了。科學(xué)家們猜測，很可能是因為它們不參與電磁相互作用。

04 暗物質(zhì)對電磁力毫無反應(yīng)？

在日常生活中，我們的絕大部分的感受其實都來自于電磁力。例如，光本身就是一種電磁波，當(dāng)然要依靠電磁作用。我們能看到的各種顏色，能感覺到溫度的高低，能感覺到物體的軟硬，背后都是電磁力在起作用。

為什么石墨那么軟？為什么金剛石那么硬？為什么糖是甜的、鹽是咸的？其實都與化學(xué)成分以及原子的排布結(jié)構(gòu)有關(guān)系。原子分子的結(jié)構(gòu)都是依靠電磁力作為骨架來搭建的。

石墨的結(jié)構(gòu)

假如暗物質(zhì)對電磁力毫無反應(yīng)，碰到普通的分子原子，自然是無動于衷。我們當(dāng)然也就感受不到這些物質(zhì)的存在。但是它們同樣會產(chǎn)生萬有引力，它們龐大的數(shù)量在星系尺度上顯示出了巨大的力量。

因為我們現(xiàn)有的知識體系并不能很好地解釋這種現(xiàn)象，所以才會覺得它們非常的神秘。不過，也正因為有這樣的認知空白，科學(xué)家們才有了無窮無盡的研究課題，而科學(xué)活動的目的就是要發(fā)現(xiàn)自然界中那些尚不為人所知的規(guī)律。

六次星系團碰撞及其暗物質(zhì)分布圖的拼圖

（這些星系團是在研究星系團碰撞時暗物質(zhì)如何表現(xiàn)時觀察到的）

如今，暗物質(zhì)已經(jīng)被大多數(shù)物理學(xué)家所承認，但是仍然有一部分科學(xué)家認為，他們有更好的辦法來解釋星系旋轉(zhuǎn)過快的現(xiàn)象，不需要去假設(shè)一個看不見摸不著的暗物質(zhì)，就好像 100 多年前的以太一樣，因為按照奧卡姆剃刀原理：“如無必要勿增實體”，理論中的假設(shè)越少越好。這一派科學(xué)家雖然很少，但科學(xué)理論的真?zhèn)螐膩聿灰匀藬?shù)來決定，唯一能決定理論好壞的只有實驗和觀測證據(jù)。

那么，暗物質(zhì)到底有什么樣的性質(zhì)呢？我們該如何去探測暗物質(zhì)呢？我們下期再談。