暗物质与暗能量：寻找隐秘的未知宇宙

科学家发现，构成日、月、星辰、生命、光以及人类所认知的一切的普通物质和能量，仅占宇宙全部质量的5%，其余不可见的部分究竟是什么？这可能是科学界面临的有史以来*的谜题。

科学家在长期的观测和研究中发现，要合理解释大量疑似违反牛顿万有引力定律的天文现象，探索宇宙正在加速膨胀的原因，*好的方法就是引入暗物质与暗能量理论。

《暗物质与暗能量 : 寻找隐秘的未知宇宙》（“微百科系列·第二季”）一书从“失踪的物质”讲起，通过对天文观测数据与理论间矛盾的分析，深入浅出地介绍了暗物质、暗能量、引力理论、粒子物理学等的基本知识，在描述探测暗物质与暗能量的研究进展和方法的同时，也展现了科学家们坚持不懈求索解答和革新探究的科学精神。

科学家发现，构成日、月、星辰、生命、光以及人类所认知的一切的普通物质和能量，仅占宇宙全部质量的5%，其余不可见的部分究竟是什么？这可能是科学界面临的有史以来*的谜题。

科学家在长期的观测和研究中发现，要合理解释大量疑似违反牛顿万有引力定律的天文现象，探索宇宙正在加速膨胀的原因，*好的方法就是引入暗物质与暗能量理论。

《暗物质与暗能量 : 寻找隐秘的未知宇宙》（“微百科系列·第二季”）一书从“失踪的物质”讲起，通过对天文观测数据与理论间矛盾的分析，深入浅出地介绍了暗物质、暗能量、引力理论、粒子物理学等的基本知识，在描述探测暗物质与暗能量的研究进展和方法的同时，也展现了科学家们坚持不懈求索解答和革新探究的科学精神。

布赖恩·克莱格（Brian Clegg），知名科普作家，毕业于剑桥大学物理系，撰写了多本畅销科普图书，主题涵盖宇宙学、无穷问题、量子理论等，如《宇宙大爆炸之前》《构造时间机器》《万有引力》《量子纠缠》。他的《无穷简史》《骰子世界》均入围英国皇家学会科学图书奖。他还是《自然》《卫报》《物理世界》等刊物的专栏作家、专题评论员。

1　眼见并非为实

2　探索宇宙

3　失踪的物质

4　宇宙有多大

5　宇宙加速膨胀

6　故事还在继续

附　录

拓展阅读

科学家发现，构成日、月、星辰、生命、光以及人类所认知的一切的普通物质和能量，仅占宇宙全部质量的5%，其余不可见的部分究竟是什么？这可能是科学界面临的有史以来*的谜题。

科学家在长期的观测和研究中发现，要合理解释大量疑似违反牛顿万有引力定律的天文现象，探索宇宙正在加速膨胀的原因，*好的方法就是引入暗物质与暗能量理论。

《暗物质与暗能量 : 寻找隐秘的未知宇宙》（“微百科系列·第二季”）一书从“失踪的物质”讲起，通过对天文观测数据与理论间矛盾的分析，深入浅出地介绍了暗物质、暗能量、引力理论、粒子物理学等的基本知识，在描述探测暗物质与暗能量的研究进展和方法的同时，也展现了科学家们坚持不懈求索解答和革新探究的科学精神。

布赖恩·克莱格（Brian Clegg），知名科普作家，毕业于剑桥大学物理系，撰写了多本畅销科普图书，主题涵盖宇宙学、无穷问题、量子理论等，如《宇宙大爆炸之前》《构造时间机器》《万有引力》《量子纠缠》。他的《无穷简史》《骰子世界》均入围英国皇家学会科学图书奖。他还是《自然》《卫报》《物理世界》等刊物的专栏作家、专题评论员。

后发座星系团距离我们3.2亿光年，包含超过1000个星系——它属于离我们近的超星系团，正好可以借助银河系（属于室女座超星系团）的引力透镜效应来观察，这不可避免地引起了天文学家的极大兴趣。然而，当兹维基1933年开始分析星系团的行为时，他发现了一些奇怪的现象——它不应该聚合在一起。

总的来说，宇宙万物都在旋转。我们对太阳系里的这种情况很熟悉。地球每天绕其自转轴自转一次，每年绕着（旋转的）太阳旋转一次，其他行星也在旋转，各自有不同的周期。行星、恒星、星系、星系团都在旋转，这是它们的形成方式导致的结果。这些结构是由气体和尘埃组成的云团在引力的作用下聚集在一起形成的。如果这些云团在空间中完全对称地分散，那么它们可能会在不旋转的情况下坍缩。事实上，更有可能的是云团在空间的分布一边多另一边少，当物质被向内吸引时，这种不平衡导致整个物质集合开始旋转。

因此，后发座星系团的旋转也就不足为奇了。兹维基将星系团旋转的速度与星系团中物质数量的近似值结合起来——结果让他惊诧不已。看上去星系团旋转得如此之快，好像是要散开了，就像放在快速转动的陶轮上的一块位置不佳的黏土。引力只能使物体以正确的速度在轨道上运行，如果绕轨道运行的物体速度太快，它就会超过系统的“逃逸速度”而飞走。根据兹维基的计算，后发座星系团的旋转速度不是快了一点，而是快了很多倍。

兹维基估计这个星系团需要400倍于已知质量的质量才能保持稳定（自从兹维基的时代以来，这个数字已经减少了，但是相对于假定的物质总量，星系团旋转的速度仍然太快了）。他断定，这只可能是由于星系团中大量无法被探测到的物质造成的。他在德语中称这种未知物质为dunkle Materie，翻译过来就是暗物质。

如此重要的结论在当时基本上被忽视了，这似乎有些奇怪。事实上，兹维基以创造性著称的缺点就是，虽然他的想法通常被人注意到，但并不总是能被进一步采纳。人们可能认为，这种影响比兹维基计算的要小得多。请记住，它需要计算至少一千个遥远星系中的物质总量，每个星系中都有大量的恒星，大量的估算（对有根据的猜测的科学表述）不断涌现。

另外，兹维基关于暗物质的想法在当时听起来并不像今天这么令人兴奋，任何暗物质在当时的所指都仅仅是这样的——恰巧是黑暗的普通物质。它被认为是尘埃、低能量输出的恒星、行星以及其他一些利用可观测的发光物质做探测而没有考虑到的物质的组合。这甚至不是一个新的概念——1904年，苏格兰物理学家威廉·汤姆森，又称开尔文勋爵，对银河系的自转进行了类似但不太引人注目的观测，观测结果显示银河系中相当数量的物质是暗的。同时期的其他天文学家，尤其是荷兰天文学家简·奥尔特在1932年也得出了相同的结论。

不过，后来人们会意识到，即使加上黑洞这一奇特的概念，不发光的普通物质也无法提供足够的质量来解释这种奇怪的行为。宇宙中有新的、不同的物质，比普通物质多得多。暗物质来了。

……

……

……

宇宙学和天体物理学一直面临的问题是，到目前为止，大部分工作都是非常间接的，而且涉及大量的不确定性测量。寻找暗物质的问题似乎已经够多了，但实际上，天文学家们还在努力寻找足够的实际物质。……

人们投入了大量的精力去寻找暗物质存在的直接证据，而不是由引力效应提供的间接暗示。到目前为止，搜寻工作还没有产生任何具体的结果。正如薇拉·鲁宾在 2001 年遗憾地指出，早在1980年，她就曾预测暗物质粒子将在10 年内被直接探测到，但至今仍未被发现。同样，在2000年，英国天文学家罗亚尔·马丁·里斯做了一个类似的十年预测，他的时间期限也早已过去。

特立独行的天体物理学家弗雷德·霍伊尔在其职业生涯后期写的一本书中，用一群正在奔跑的鹅的照片毫不奉承地描述了他的科学家同行们。这表明，一旦科学家们对一个想法上瘾，他们将继续追随它，而不会考虑新的证据。毫无疑问，霍伊尔对自己1948年与赫尔曼·邦迪和托马斯·戈尔德共同提出的宇宙稳态理论在20世纪60年代被宇宙大爆炸理论取代感到愤愤不平。就连霍伊尔也不得不承认，与稳态模型相比，大爆炸理论更适合从宇宙微波背景和非常遥远的星系结构中获得证据——由于光线到达我们的地球需要的时间较长，这些关于星系形成之初状态的证据就能被我们看到。但他仍有自己的观点。

大爆炸理论也有几次与观测结果不符，因此必须进行各种修正，如宇宙暴胀等。霍伊尔的观点是，宇宙稳态理论也可以通过这种方式进行修正，以匹配观测结果。但当这种可能性被探索出来时，宇宙学界已经对大爆炸理论产生了鹅群模式，对宇宙稳态理论并不感兴趣。这与托马斯·库恩在其有缺陷但极具影响力的著作《科学革命的结构》（1962）中所描述的情况并无不同。

……

几年前，人们很难提出反对暗物质的论据。现在，虽然大多数天体物理学家和宇宙学家仍然更喜欢暗物质，而不是修正引力理论，并期待在某个时刻发现失踪的粒子，但更多的是一种平衡的观点。这需要时间。正如麦高所指出的:“许多研究暗物质的专家并不知道修正牛顿动力学到底是什么，也不知道它能做什么，不能做什么。”社会学的变化来得很慢。但是，如果越来越多的实验都未能探测到暗物质粒子，那么可能会出现一个临界点，那时修正引力理论将取代人们普遍接受的理论。

俗话说，没有证据并不等于证据不存在，我们不能探测到暗物质粒子并不意味着它们不存在。然而，如果认为科学是通过纯正的逻辑推理来运作的，那也是错的。这在实践中几乎是不可能的，因为演绎需要完美的知识。例如，如果我知道所有的恒星都是通过核聚变工作的，我看到天空中有一个发光的物体，但它不是由核聚变提供能量的，我就能推断出它不是恒星。然而，大多数科学工作都是通过归纳而不是演绎。演绎通过定义产生一个确定的证明，归纳根据现有的证据工作，并说明什么是有可能的。

举个简单的例子——我可以预测哈雷彗星将在2061年回归。这颗彗星是早根据牛顿定律做出天文学预测的天体之一。到目前为止，自从1705年埃德蒙·哈雷预测这颗彗星将在1758年回归以来，这颗彗星一直遵循着一种人们归纳推理得出的运行规律，即它的轨道将每75～76年使它返回一次。然而，我不能证明它会像预期的那样回来。它可能会因为碰撞而偏离路线，其他太阳系天体也会发生变化，足以影响哈雷彗星的轨道，从而改变它的轨道周期。我能说的是，这颗彗星一直与我们迄今为止所做的观测相符，我们对太阳系的了解表明，它还会这样回归。

考虑到科学使用归纳法，如果有足够多的应该能够检测到暗物质粒子的实验未能发现它们，则表明暗物质可能不存在，这是完全说得通的。类似的事情在19世纪末也发生过，当时美国科学家阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷认为，以太——想象中的光波通过的介质，似乎并不存在。他们的实验表明没有以太存在的证据。随后的实验反复在其他地方得到广泛证实，人们接受了这样的观点：不存在这样的东西。

到目前为止，修正牛顿动力学（MOND）仍然是暗物质的主要对手。如我们所知，有其他的修正引力理论，如衍生引力。到目前为止，它似乎不像MOND那样强大，但它在2017年才出现，并且仍然有可能出现衍生引力的变体，这将成为MOND的挑战者。当然，我们拥有超流体暗物质的混合方法，有人认为它结合了两者的优点。暗物质和修正引力理论之间的较量还没有分出胜负。除了在计算中出现了一个数学上的小问题外，目前尚无广泛的证据来支持，大家公认宇宙中正在发生某种能产生重要影响的事情。大家暂时将其归因于暗物质，附带条件是它可能是修正引力的结果（通常被遗忘的条件）。无论是什么原因，都有一些重大影响需要进一步研究。

……