本文要講一個物理學家還不完全知道，但是做夢都想知道的事情--“暗物質”。
❶
宇宙中有數千億個“銀河系”
滿天星斗並非是雜亂無章的。古人的思路是把星星劃分成“星座”，而今天的天文學家對星星之間的關係看得更清楚，他們的劃分思路是“星系”和“星系團”。我們這個太陽，就處在“銀河系”這個星系之中。從地球上看，銀河是帶狀的。
但是如果你能換個遠方太空中居高臨下的視角，銀河系其實是盤狀的。它有若干條螺旋臂，太陽就位於銀河系的某個不起眼的螺旋臂的某個不起眼的位置。
（俯視視角看太陽在銀河系的位置...當然這個圖是想象圖）
每個星系中可能有千億、甚至萬億顆恆星。就好像行星圍繞恆星轉一樣，星系中的恆星也繞著星系的中心轉 —— 這當然是因為星系內部這一大堆恆星集合在一起，給外面的恆星提供了一個向內的引力。
像銀河系這樣的星系，宇宙中至少有千億個。星系們又組成星系團，然後每個星系都繞著它所在星系團的中心轉。
（一個星系團）
在星系中間那廣闊的空曠地帶，其實也有很多物質，包括矮星系、不屬於任何星系的孤單恆星、星系間氣體等等。但是總體來說，結構就是這樣。如果你把宇宙想象成一個國家，星系團就好像是城市，這些城市就好像一個一個的島嶼散佈在宇宙之中。
1937年的時候，天文學家弗裡茨·茲威基仔細觀察了一個星系團，叫“后髮座星系團”。茲威基選擇了后髮座星系團裡的幾個星系，測量了這些星系繞著星系團旋轉的移動速度。茲威基發現，這些星系的速度都太快了。
（后髮座星系團）
咱們可以做個實驗體會一下。你拿一根比較長繩子，比如說耳機線吧，抓住一端快速甩動，讓繩子繞著你手指旋轉。很明顯，轉動速度越快，你的手指就要越用力。如果轉動速度特別快以至於你的手抓不住了，這個繩子就會飛出去。地球繞著太陽轉也是這個道理，中心提供的引力越大，能支持的旋轉速度就越大。
星系繞著星系團中心轉，也是這個道理。茲威基估算了后髮座星系團內部大概有多少星系，這些星系總共有多大的質量，能提供多大的引力。他發現這個引力根本支撐不了外面星系旋轉的速度！那麼高的速度，那幾個星系都應該被甩出去才對！
（旋轉的星系模擬圖）
茲威基非常相信自己的計算，他據此判斷，星系團內部必定還有一些我們看不到的物質，提供了多餘的引力。此後天文學家們陸續考察了別的星系團，結果每個星系團都有這個現象。
到了1976年的時候，一個叫薇拉·魯賓女天文學家又把目光對準了恆星圍繞星系的轉動。首先她注意到，在一個星系的可見部分之中，越往外的恆星，旋轉速度就越快。這個是可以理解的，越往外的恆星，它裡面的恆星就越多，能提供的引力就越大。
（旋轉的星系模擬圖）
然後魯賓在星系的最邊緣找了幾個恆星，結果發現這幾個恆星也是越往外速度越快。這就不對了，因為從這裡再往外，就已經沒有多少恆星給它們提供更多的引力。不論星系繞著星系團轉，還是恆星繞著星系轉，轉速都比天文學家計算的快得多。
舉例：這就好像你密切觀察你家的鄰居，你詳細記錄了每一個人的出行情況，發現他們平時都不出門，只在週末出去買點食物回來吃。你仔細測量了他們每週末買回來的食物都有什麼，總共能提供多少熱量，結果你發現這些買回來的東西根本不夠一家人吃一週。那這一家人是怎麼生存的呢？
（旋轉的星系模擬圖）
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黑暗的物質
最合理的解釋，就是鄰居吃了一些你看不到的東西。物理學家把提供多餘引力的東西，稱為“暗物質”。計算表明，想要維持那麼高的速度，暗物質不但要提供多餘引力，而且必須提供很多很多引力才行 —— 暗物質的總質量，必須是已知物質總質量的6倍。
考慮到暗物質，我們銀河系的圖像應該是這樣的 （下圖）......
（銀河系模擬圖）
整個星系被一層厚厚的暗物質包圍。暗物質在星系中間比較濃，遠離星系的地方慢慢變淡。因為我們的太陽系只是整個星系中間的一小塊區域，行星和衛星都太小，運動不會受到暗物質影響，我們沒感覺到。但是考察星系邊緣那些恆星的運動，影響就非常明顯了。
暗物質到底是什麼東西呢？我們的第一反應，也許暗物質就是一些比較“暗”的正常物質，因為太暗了我們沒看到而已。而物理學家已經排除了這種可能性。咱們先一個一個地數。
（星系模擬圖）
暗物質是黑洞嗎？ 黑洞其實是可以探測到的。黑洞在很小的區域內產生很大的引力，周圍星體會繞著黑洞轉，我們一看那些星體的軌道，就知道中間有個黑洞。
暗物質是星際間的氣體雲嗎？ 也不是。遙遠的星光穿過氣體雲，會受到影響，但我們沒有發現到這種影響。
（暗物質想像圖）
暗物質有沒有可能是一些散佈在空間沒有恆星“主人”的流浪行星呢？這也不太可能。你要知道，我們太陽系總重量的4/5在太陽上，而不是行星上 —— 宇宙中不太可能是行星集中那麼大比例的質量。
就好像中學生解數學題要用兩種不同方法求解一樣，物理學家還可以從另一個方面證明暗物質不是尋常物質。物理學家計算表明，大爆炸產生的氫原子和氦原子核的比例是 10 : 1，這個比例還可以跟宇宙微波背景輻射的觀測結果對上號 —— 宇宙創生中所有的核反應都在這裡了。那也就是說，暗物質根本就沒參與核反應！
（暗物質想像圖）
目前所有的儀器都測不到暗物質。物理學家知道的四種相互作用，暗物質很可能除了引力之外，其他都不參與。咱們想想這個東西。除了引力，我們在生活中，在原子核之外，所能感受到的所有“力” —— 我們能看到光、我們被什麼東西打一下會疼，這些都是電磁力。可是暗物質不參與電磁力。
這就是說，你的房間裡遍佈著一種特殊粒子構成的氣體。這種粒子可能比質子、中子都大很多，也很重。可是你摸不著它、看不到它，就算用上各種先進儀器，也完全感受不到它的存在。你任憑它在你的身體中穿過。
（暗物質想像圖）
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暗物質是“高維空間”的引力？或是“平行宇宙”？
物理學告訴我們，所有東西都有引力。但是不是“有引力”就一定“有東西”呢？這個現在很難回答，也許我們需要在牛頓、愛因斯坦之後，再出一位神人，再給我們一個新的引力理論。
連民間科學家都可能會想到，是不是愛因斯坦的廣義相對論，在星系這麼大的尺度上，出錯了。有人在做這個工作，但大多數物理學家對廣義相對論非常有信心。廣義相對論是個相當精確的理論。
（銀河系模擬圖）
事實上，物理學家把民間科學家想不到的離奇可能性也想到了。比如說有沒有可能暗物質是我們感受到的來自“高維空間”的引力？也許存在多重宇宙，有一個“平行宇宙”跟我們的空間重疊在了一起，以至於這個平行宇宙中的物質的引力穿越了時空的維度，讓我們感受到了。這些可能性似乎都不大。
如果暗物質根本不參與引力之外的其他相互作用，那它到底是怎麼從宇宙大爆炸中產生的呢？物理學家的一個指望是也許暗物質也參與強相互作用或者弱電相互作用，只不過實在太微弱了，不容易測到。
（平行宇宙想像圖）
所以現在物理學家正在上天入地，去探測暗物質。他們把專門的衛星送上太空，在地底下挖了很深很深的坑，在實驗室裡用最高能級的粒子加速器搞碰撞，希望能找到一兩個“暗物質粒子”。
但是從1937年茲威基的發現至今八十年過去了，物理學家對暗物質的瞭解，仍然沒有突破。
（衛星圖）
但是物理學家回頭又算了一下。我們知道大爆炸以來，宇宙一直都在膨脹。在這個過程中有兩種力量在對抗 —— 一種力量是引力，引力是把東西聚集到一起；另一種是膨脹，是要把東西分散開。
這兩個力量如果平衡得不好，就不會有今天的日月星辰。引力太強，宇宙中的原子們剛剛出生就會都擠在一起；引力太弱，它們就不會有機會凝聚成恆星。
（恆星模擬圖）
物理學家計算發現，我們已知的這些尋常物質的引力，原來根本對抗不了大爆炸的膨脹。原來非得依靠暗物質的陪伴，才有我們這個宇宙的今天。那到底需要多少暗物質，才能讓宇宙膨脹成今天這個樣子呢？
正好也是已知物質總質量的6倍。
平行宇宙想像圖
總結：
暗物質，完全是物理學家因為算數對不上，而認為必須存在的一種東西。但是我們至今對暗物質還沒有任何直接的觀測。
在物理學史上，這其實是司空見慣的局面。比如說十九世紀的時候，有人測量太陽光到達地球的能量，就發現太陽每時每刻產生的能量是非常巨大的。那太陽的能量來自哪裡呢？太陽上到底要燒什麼東西，才能產生這麼大的能量呢？
當時的人還不知道核反應。甚至有人提出非常好玩的猜測，說太陽上燒的是煤！
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