“黑暗双侠”丢给人类的N个问题（多图）

“暗物质”和“暗能量”是当今的天文学界和物理学界两个共同的重大谜团，有些文章中把它们并称为黑暗双侠。

今天我们先从暗物质是怎么被发现的开始讲起。

01 “暗物质”这个名字是谁起的？

1932 年，有一位叫奥尔特的天文学家观察到了一个非常奇怪的现象，那就是银河系的转动速度似乎太快了一点，他觉得银河系中的恒星似乎太少了，但遗憾的是，限于技术条件，他的观测数据比较粗糙，什么也证明不了。现在回过头来看，奥尔特确实厉害，直觉超一流，他从非常有限的观测数据中就窥到了惊人的秘密。

到了第二年，也就是 1933 年，在美国的加州理工学院，有另外一个特别有个性的天文学家兹维基，也发现了一些与奥尔特类似的奇怪现象。不过兹维基当时研究的并不是银河系，而是后发座星系团。

后发座是天上的一个星座，离开北斗的勺柄不远。在后发座的这片天区中，有个巨大的星系团。星系团的中心有两个巨大的星系，都有银河系十倍大小，周围还分布着 1000 个大小不等的星系，它们共同组成了这个巨大的星系团，距离我们 3.2 亿光年左右。

后发座星系团

兹维基研究了这个星系团里的星系情况后，发现了一个让他感到非常奇怪的现象。

首先，他通过测量这些星系的光谱，总体上描绘出这些星系都在怎么运动。你可能会好奇，测量光谱怎么能知道星系怎么运动呢？这个知识点我先不展开讲，后面几期我讲暗能量的时候会讲到。总之你先记住反正就是可以。然后，知道了这些星系之间的相对运动速度，就可以通过天体物理学的公式计算出这个星系团的总质量是多少。天文学家们就把用这个方式测量出来的星系质量叫做动力学质量。

天文学家兹维基

然后，天文学家们还可以用另外一种方法来估算这个星系团的质量，这个方法简单粗暴，就是测量这个星系团的总亮度是多少，然后根据经验公式，计算出星系团的总质量，这种方法测量出来的质量就被称为光度学质量。

奇怪的是，动力学质量和光度学质量相差巨大，动力学质量比光度学质量大了 400 多倍，相当于是 2 个数量级，这种差异在天文学家看来，就很夸张了。

位于后发座星系团深处的螺旋星系（NGC 4911）的正面视图

所以呢，兹维基就认为，在后发座星系团中必定存在很多不发光的物质，而且数量庞大。于是，兹维基就把这些物质命名为暗物质。有趣的是，宇宙中最暗和最亮的物质都是这个兹维基命名的，最亮的那个是超新星。可惜的是，兹维基并没有把暗物质这件事当作太重要的发现，随便写了一篇论文也就过去了，没有投入更多的研究，他的论文在当时没有引起太多重视。

02 令人心惊的数据

在兹维基之后，还有一些天文学家也发现了类似的奇怪现象。例如，1936 年，史密斯对仙女座大星系的研究似乎印证了兹维基的观点。1959 年凯恩和沃特研究了仙女座大星云和银河之间的相对运动，他们发现我们人类所处的本星系团中看不见的物质比可见物质的质量要大 10 倍左右。

仙女座大星云

但是，直到这时候，科学界对暗物质依然没有给予足够的重视，其中一个最主要的原因还是在于证据不够充分。从这里你也可以看出，科学研究是多么讲究证据。原因其实也不难理解，每一位科学家的时间和精力以及经费都是有限的，而这个世界上可供研究的课题又那么多，选择研究课题是一件非常谨慎的事情。

非同寻常的证据来自女天文学家薇拉·鲁宾的研究，其实鲁宾也并不是专门去研究暗物质才发现的证据，而是无心插柳的结果。事情是这样的，上世纪六、七十年代，鲁宾选择了一个在当时非常冷门的方向，那就是研究银河系的旋转。从奥尔特开始，大家用的办法其实大同小异，但是测量精确度在突飞猛进，数据的积累也越来越多。

天文学家薇拉鲁宾

积累的数据越多，越让鲁宾感到心惊，银河系外围的旋转速度那不是快了一点点，而是大大超出了预期。为什么这么说呢，因为根据牛顿的万有引力定律，离银心越远的恒星，应该旋转得越慢。但是实际观测的数据根本就不是这样。离星系中心很远的那些恒星，运行速度并没有明显的减慢，比预期的速度要快得多。按照这个速度去计算的话，整个星系产生的引力都拉不住这些恒星，星系根本就无法维持，早就该散架子了。可是这些星系已经稳定存在了上百亿年。这是一件非常奇怪的事情。

银河系

我给你打个比方，假如我们用沙子捏成一个陀螺，让它转起来，这个沙陀螺就会散架。要想不散架，就必须要用胶水和在沙子中，增强沙子之间的结合力。我们的银河系就好像这个沙陀螺，而万有引力就好像沙子中间的胶水。现在的情况是，银河系中如果只有会发光的可见物质提供引力的话，那么银河系早就该散架了。

鲁宾这次的发现与之前最大的不同在于，她提供的数据非常详细，证据无可辩驳。所以，到了 1980 年左右，大家都觉得这是一个大问题。看来星系之中含有大量我们看不到的物质，这些物质也会产生引力，确保了星系能以更快的速度旋转而不分崩离析。而且这种物质似乎与星系的形成有密切关系。

03 为什么我们看不到暗物质？

接下去，科学家们就开始追问，为什么我们看不到这些物质呢？一开始，大家觉得，这不难理解，不过是一些不发光的气体云罢了，因为它们太暗了，所以我们看不到它们。就好像地球表面空气是无处不在的，但是我们也没办法用肉眼看到空气。这是一个非常合理的想法。

还有些人认为是因为在宇宙中的黑矮星数量非常多，黑矮星就是燃料耗尽而慢慢冷却的恒星。当然，真正让科学家们松一口气的是黑洞理论的兴起，如果黑洞是存在的，那么就顺便解释了暗物质现象。因为黑洞就是个只进不出的家伙，我们无法直接观测黑洞。

黑矮星艺术图

可是，随着观测数据的积累，人们惊讶地发现，即便把上面这些不发光的物质总量全部都按照最大的可能性加起来，星系的总体质量也远远达不到预期的质量。

估算单个星系的质量，有个很巧妙的方法，就是利用引力透镜效应。什么是引力透镜效应呢？根据爱因斯坦的相对论，大质量天体附近的时空弯曲非常厉害，就连光走的都不是直线。假如有个遥远的天体，它发出的光在奔向我们地球的途中遇上了大质量的星系团。光线也是会发生弯折的，这个遥远天体的图像也就会被扭曲，就好像隔着透镜看一样。通过引力透镜效应，就可以计算出半途中碰上的这个星系团总共有多少物质。

引力透镜效应示意图

科学家们把用引力透镜效应计算出来的星系总质量称为引力质量，前面我们讲过把通过星系亮度估算出来的质量称为光度学质量。现在的结果是，在宇宙中已知的绝大多数星系，它们的引力质量都远远大于光度学质量，平均而言，有 6 倍的差距。这也就证明了星系团大部分物质是看不到的，但是却有引力存在。所有能看见的物质只有很少一部分。

既然暗物质如此之多，为什么我们看不到它们呢？这当然就是一个世界未解之谜了。科学家们猜测，很可能是因为它们不参与电磁相互作用。

04 暗物质对电磁力毫无反应？

在日常生活中，我们的绝大部分的感受其实都来自于电磁力。例如，光本身就是一种电磁波，当然要依靠电磁作用。我们能看到的各种颜色，能感觉到温度的高低，能感觉到物体的软硬，背后都是电磁力在起作用。

为什么石墨那么软？为什么金刚石那么硬？为什么糖是甜的、盐是咸的？其实都与化学成分以及原子的排布结构有关系。原子分子的结构都是依靠电磁力作为骨架来搭建的。

石墨的结构

假如暗物质对电磁力毫无反应，碰到普通的分子原子，自然是无动于衷。我们当然也就感受不到这些物质的存在。但是它们同样会产生万有引力，它们庞大的数量在星系尺度上显示出了巨大的力量。

因为我们现有的知识体系并不能很好地解释这种现象，所以才会觉得它们非常的神秘。不过，也正因为有这样的认知空白，科学家们才有了无穷无尽的研究课题，而科学活动的目的就是要发现自然界中那些尚不为人所知的规律。

六次星系团碰撞及其暗物质分布图的拼图
（这些星系团是在研究星系团碰撞时暗物质如何表现时观察到的）

如今，暗物质已经被大多数物理学家所承认，但是仍然有一部分科学家认为，他们有更好的办法来解释星系旋转过快的现象，不需要去假设一个看不见摸不着的暗物质，就好像 100 多年前的以太一样，因为按照奥卡姆剃刀原理：“如无必要勿增实体”，理论中的假设越少越好。这一派科学家虽然很少，但科学理论的真伪从来不以人数来决定，唯一能决定理论好坏的只有实验和观测证据。

那么，暗物质到底有什么样的性质呢？我们该如何去探测暗物质呢？我们下期再谈。