暗物质或者像海王星，或者像祝融星

这并非科学家第一次与未见事物角力。

普里亚姆瓦达·那塔拉印  作于2017年2月

左 芬             译于2020年9月

为某种事物命名并不意味着了解它，而这一原则用来形容宇宙中的暗物质是再恰当不过了。我们给暗物质如此命名恰好是因为我们不了解它。它从不发射，反射，或是吸收光，所以我们称它是“暗”的。它也没有可以辨识的形状，所以我们用最一般的词，“物质”来称呼它，因为它确实表现得像物质。这一名称其实仅仅是我们理论中的空缺部分的一个标签，这一空缺终究将被某种施加引力的事物所填充。如果不借用某种至今未见的陌生材料，我们所观测到的星系或星系团中的恒星运动将无法解释。

这并非科学家们首次借用未见实体。以太，燃素，瘴气：这些无形流体都曾被借用来说明当时看上去无法解释的现象。最终他们全部被淘汰了。另一方面，有些这类幽灵般的实体结果是真实存在的，比如氧气。那么，暗物质会走上哪条路呢？它会像以太一样消逝，还是将永远存在下去呢？

或者，考虑另一个历史先例，暗物质会像海王星还是祝融星呢？19世纪早期，天文学家注意到新发现的行星天王星漂移出了预期轨道；它的轨迹与牛顿引力理论的预言不相符合。一些人猜测有一个未知的世界在拖拽着它。1846年法国数学家于尔班∙勒威耶计算出了观测者们将发现新世界的地方——他们的确找到了。海王星于是进入了天文学家的视野。另一颗行星，水星，看上去同样被栖身于太阳和它之间的某个未知行星所拉拽。勒威耶把它称为“祝融星”，并计算出了观测者应该找到它的地方。然而这一次，并不存在这类世界。错误源于牛顿定律本身。水星的异常运动需要一种全新的引力理论来解释，这就是爱因斯坦所提出的广义相对论。

在一种情形下一处失调导致现存解释的改进，而在另一情形下它需要一种全新的革命性想法。作为科学家，我们仍不清楚哪种可能性适合暗物质。

有很好的理由认为暗物质既不像以太也不像祝融星。许多独立方向的证据都一致认定它是必需的。1933年天文学家弗里兹∙茨维基测量了近邻的后发座星系团的星系速度。这些星系以令人吃惊的高速旋转，但却并没有飞离。这表明有某种未见的力紧紧地把控着他们。他假定这一引力胶水是由那儿肉眼不可见的物质所提供的，并大胆地提出了暗物质的存在。茨维基声称存在近乎10倍于所有恒星质量的暗物质。

数年后，茨维基进一步预言，如果后发座这类的星系团充斥着暗物质，那么，按照广义相对论，这些质量必然会在时空的结构上产生深深的划痕，从而改变光线在宇宙中的路径。这些星系团将充当巨型棱镜的角色，扭曲其背后星系的图像。当时，分辨率足以探测这些微小变形的望远镜尚未问世。

暗物质的想法一直沉寂到70年代。薇拉∙鲁宾，诺伯特·托纳德，肯特∙福德等人的发现使其重生。通过测量螺旋星系中恒星的速度，他们再次发现这些运动意味着大量的不可见物质。将茨维基的星系团中的暗物质与鲁宾及其合作者从单个星系中推断出来的不可见质量联系起来花费了一段时间。渐渐地，情况变得明朗了，暗物质不仅是保持星系和星系团的稳定所必须的，对建构整个宇宙也是如此。它提供了恒星，星系和星系团形成的基本框架。

自那以后观测证据稳步地累积起来了。利用哈勃空间望远镜上的镜头提供的高分辨率图像，我们现在也得到了茨维基预言的引力透镜图像。这些观测效应要求几乎10倍于可见物质的额外质量。各种独立方向的证据不仅在必需的暗物质总量上一致，在它的基本性质上也吻合：它们几乎从不相撞，而且必须是“冷”的——即，处在相对来说低速运动中。这一一致性是相信暗物质存在的最令人信服的原因之一。

然而我们处在了一个尴尬的境地之中。尽管暗物质在解释宇宙现象时取得了压倒性的成功，我们并不知道它是由哪种或哪些粒子组成的。至今为止，对这种神秘莫测的粒子的几乎所有实验搜寻都报道了零结果，而仅有的例外又非常的模棱两可。迹象之一是归因于暗物质衰变的X射线发射。另一个信号被意大利格兰萨索国家实验室的DAMA/LIBRA合作组在它的地下实验中探测到。利用同样生成的碘化钠晶体组成的探测器对这一实验做出的四个独立的重复实验，目前正在进行中，并有望在三年左右得出结果。同时，我们也在热切地寻找其他异常——在我们观测到的宇宙与冷暗物质模型的理论预测之间的微妙失调。

预期与观测之间的差异可能恰好为当前困境指明方向。观测结果与当前公认理论之间的某种失调或许会将前行方向指向宇宙的一种遗失要素，也或者，也许更激动人心地，指向一种彻底的新理论。

普里亚姆瓦达·那塔拉印 是耶鲁大学天文与物理系的一名教授。她的研究聚焦于暗物质的绘制和黑洞形成、生长及演化的理解，并获得了诸多奖项和荣誉。她的第一本书，《宇宙新图景》，于2016年出版。