“暗物質”和“暗能量”是當今的天文學界和物理學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是怎么被發現的開始講起。

01 “暗物質”這個名字是誰起的？

1932 年，有一位叫奧爾特的天文學家觀察到了一個非常奇怪的現象，那就是銀河系的轉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，限于技術條件，他的觀測數據比較粗糙，什么也證明不了。現在回過頭來看，奧爾特確實厲害，直覺超一流，他從非常有限的觀測數據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院，有另外一個特別有個性的天文學家茲維基，也發現了一些與奧爾特類似的奇怪現象。不過茲維基當時研究的并不是銀河系，而是后發座星系團。

后發座是天上的一個星座，離開北斗的勺柄不遠。在后發座的這片天區中，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。

后發座星系團

茲維基研究了這個星系團里的星系情況后，發現了一個讓他感到非常奇怪的現象。

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。總之你先記住反正就是可以。然后，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的公式計算出這個星系團的總質量是多少。天文學家們就把用這個方式測量出來的星系質量叫做動力學質量。

天文學家茲維基

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

奇怪的是，動力學質量和光度學質量相差巨大，動力學質量比光度學質量大了 400 多倍，相當于是 2 個數量級，這種差異在天文學家看來，就很夸張了。

位于后發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，在后發座星系團中必定存在很多不發光的物質，而且數量龐大。于是，茲維基就把這些物質命名為暗物質。有趣的是，宇宙中最暗和最亮的物質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這件事當作太重要的發現，隨便寫了一篇論文也就過去了，沒有投入更多的研究，他的論文在當時沒有引起太多重視。

02 令人心驚的數據

在茲維基之后，還有一些天文學家也發現了類似的奇怪現象。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，他們發現我們人類所處的本星系團中看不見的物質比可見物質的質量要大 10 倍左右。

仙女座大星云

但是，直到這時候，科學界對暗物質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不夠充分。從這里你也可以看出，科學研究是多么講究證據。原因其實也不難理解，每一位科學家的時間和精力以及經費都是有限的，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。

非同尋常的證據來自女天文學家薇拉·魯賓的研究，其實魯賓也并不是專門去研究暗物質才發現的證據，而是無心插柳的結果。事情是這樣的，上世紀六、七十年代，魯賓選擇了一個在當時非常冷門的方向，那就是研究銀河系的旋轉。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，數據的積累也越來越多。

天文學家薇拉魯賓

積累的數據越多，越讓魯賓感到心驚，銀河系外圍的旋轉速度那不是快了一點點，而是大大超出了預期。為什么這么說呢，因為根據牛頓的萬有引力定律，離銀心越遠的恒星，應該旋轉得越慢。但是實際觀測的數據根本就不是這樣。離星系中心很遠的那些恒星，運行速度并沒有明顯的減慢，比預期的速度要快得多。按照這個速度去計算的話，整個星系產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。可是這些星系已經穩定存在了上百億年。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。現在的情況是，銀河系中如果只有會發光的可見物質提供引力的話，那么銀河系早就該散架了。

魯賓這次的發現與之前最大的不同在于，她提供的數據非常詳細，證據無可辯駁。所以，到了 1980 年左右，大家都覺得這是一個大問題。看來星系之中含有大量我們看不到的物質，這些物質也會產生引力，確保了星系能以更快的速度旋轉而不分崩離析。而且這種物質似乎與星系的形成有密切關系。

03 為什么我們看不到暗物質？

接下去，科學家們就開始追問，為什么我們看不到這些物質呢？一開始，大家覺得，這不難理解，不過是一些不發光的氣體云罷了，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量非常多，黑矮星就是燃料耗盡而慢慢冷卻的恒星。當然，真正讓科學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現象。因為黑洞就是個只進不出的家伙，我們無法直接觀測黑洞。

黑矮星藝術圖

可是，隨著觀測數據的積累，人們驚訝地發現，即便把上面這些不發光的物質總量全部都按照最大的可能性加起來，星系的總體質量也遠遠達不到預期的質量。

估算單個星系的質量，有個很巧妙的方法，就是利用引力透鏡效應。什么是引力透鏡效應呢？根據愛因斯坦的相對論，大質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，它發出的光在奔向我們地球的途中遇上了大質量的星系團。光線也是會發生彎折的，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，就可以計算出半途中碰上的這個星系團總共有多少物質。

引力透鏡效應示意圖

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

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

04 暗物質對電磁力毫無反應？

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？其實都與化學成分以及原子的排布結構有關系。原子分子的結構都是依靠電磁力作為骨架來搭建的。

石墨的結構

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

因為我們現有的知識體系并不能很好地解釋這種現象，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，科學家們才有了無窮無盡的研究課題，而科學活動的目的就是要發現自然界中那些尚不為人所知的規律。

六次星系團碰撞及其暗物質分布圖的拼圖
（這些星系團是在研究星系團碰撞時暗物質如何表現時觀察到的）

如今，暗物質已經被大多數物理學家所承認，但是仍然有一部分科學家認為，他們有更好的辦法來解釋星系旋轉過快的現象，不需要去假設一個看不見摸不著的暗物質，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”，理論中的假設越少越好。這一派科學家雖然很少，但科學理論的真偽從來不以人數來決定，唯一能決定理論好壞的只有實驗和觀測證據。

那么，暗物質到底有什么樣的性質呢？我們該如何去探測暗物質呢？我們下期再談。