有些人喜歡討論“神秘的東西”，例如鬼、妖怪、神靈等，從上古的《山海經(jīng)》到最新的好萊塢大片，各種奇怪的神仙妖怪應有盡有。然而科學家們不會去討論那些東西，因為科學家對人們幻想出來的事物不感興趣（只有心理學家會研究人們?yōu)槭裁磿セ孟耄?，他們關注的，是真實世界里的真實現(xiàn)象。
那么真實的世界里，也會有神秘物質(zhì)嗎？
還真有！
假設教室里空蕩蕩的，只有你一個人。這時有個同學到門口，說：“這里人好多啊！”然后轉(zhuǎn)身走了。這時你會怎么想？膽小的人會害怕，膽大的人會覺得那個同學是在故意嚇唬他。如果你真的感到周圍有人在擠你，那膽子再大的人也笑不出來了。
這種事在真實的教室里是不會發(fā)生的，除非是惡作劇，但是科學家在宇宙里真的觀察到了類似的神秘現(xiàn)象。
80多年來，科學家們發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的天文現(xiàn)象，很多天體的表現(xiàn)，就像被什么東西牽引著一樣，然而無論怎么努力觀測，我們也看不到任何東西。這說明有一些神秘的東西，我們看不到摸不著，但真的存在，它們給這個宇宙施加了巨大的引力。我們能清晰地感知到它們的存在，但并不知道那是什么。
科學家給這種神秘的物質(zhì)起了一個名字：“暗物質(zhì)”，英文叫作Dark Matter。由于這東西是真實世界里的神秘物質(zhì)，所以很多魔幻主題的游戲都喜歡用這個名字去命名神秘的寶物呢。
暗物質(zhì)雖然神秘，但是絕不邪惡，恰恰相反，科學家認為，正由于有暗物質(zhì)幫忙，我們這個世界才能出現(xiàn)。也就是說，它是神秘的“正義力量”。
然而，暗物質(zhì)看不見摸不著，我們是怎么知道它存在的呢？
這一切的開始，是在1933年。瑞士的天文學家，“超新星”的命名者茲威基（Fritz Zwicky 1898--1974）對離地球3.2億光年的后發(fā)座星系團進行觀測研究。這個星系團非常大，它里面有3000個星系，直徑超過2000萬光年。茲威基很想知道這個星系的質(zhì)量有多大，于是找了個方法來計算，為了確保結(jié)論正確，他又用另外一個方法來驗算，最終發(fā)現(xiàn)，兩個計算結(jié)果相差上百倍。
這兩種計算方法，用的是不同的原理。第一個方法，是計算星系的運動速度。星系繞著圈運行，有很大的離心力，速度越快，離心力越大，這就跟轉(zhuǎn)圈扔鉛球一樣，運動員轉(zhuǎn)得夠快，一松手，鉛球就飛出去好遠。
星系轉(zhuǎn)得那么快，星星為啥飛不出去呢？原因是有引力。物體的質(zhì)量越大，引力就越大，只要星系中央的質(zhì)量足夠大，周圍的星星轉(zhuǎn)得再快也飛不走。同理，我們知道星系沒有散架，那么只要知道它的運動速度，就可以推導出這個星系有多大的質(zhì)量，這個質(zhì)量叫力學質(zhì)量。
第二個計算方法，是利用光學。像太陽一樣會發(fā)光的星星，叫作恒星，恒星發(fā)光的原理，叫作核聚變。恒星的質(zhì)量不同，會導致核聚變的效率不同，于是發(fā)出光的顏色和亮度也不同。簡單來說，紅色的恒星質(zhì)量小，藍色的恒星質(zhì)量大。通過對恒星亮度和顏色的測量，可以推導出其質(zhì)量，然后進一步推導出整個星系的質(zhì)量。這樣測出的質(zhì)量，叫作光度質(zhì)量。
后發(fā)座星系團的力學質(zhì)量，比光度質(zhì)量大太多了，那么哪個是正確的呢？茲威基認為，力學質(zhì)量是正確的，而光度質(zhì)量實在太小了，不足以拉住那么多高速旋轉(zhuǎn)的星星，如果光度質(zhì)量正確的話，星系早就散架了。
茲威基最后的結(jié)論是：后發(fā)座星系團里有大量“看不見的物質(zhì)”，而正是這種看不見的物質(zhì)保證了星系團的引力，從而讓星星們高速運轉(zhuǎn)，但是不會飛出去。
現(xiàn)在我們知道，這種“看不見的物質(zhì)”，就是暗物質(zhì)。
茲威基雖然發(fā)現(xiàn)了后發(fā)座星系團里有看不見的東西存在，但這沒有引起科學界太多的關注。畢竟，我們看不見的東西可多了，而且這只是對一個遙遠星系的研究，也許是因為觀測不準也未可知呢。
真正讓整個科學界對暗物質(zhì)不得不重視的，是一個意志堅定的美國女科學家：魯賓（Vera Rubin，1928- ）。二十世紀七十年代，魯賓在離地球大約250萬光年的仙女座星系進行觀測時，發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象。
仙女座星系和我們所在的銀河系一樣，都是圓盤狀的星系，數(shù)以億計的恒星和大量的星際介質(zhì)（一般以氣體形式存在）在里面飛速旋轉(zhuǎn)。魯賓研究的，是那些星際介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度。離我們那么遠的氣體，怎么知道其速度呢？方法是看發(fā)出的光?？梢姽馐请姶挪ǖ囊环N，波有一種“多普勒效應”。大家在街上都聽過救護車的報警聲吧，那個聲音就是聲波，當車朝你開來的時候，報警聲會越來越急促，而車離你遠去的時候，報警聲會越來越悠長。實際上報警聲的頻率是穩(wěn)定的，但是波源在走近和遠離的時候，你感受到的波會出現(xiàn)頻率變化，所以你聽到的報警聲就有變化，這個變化就是多普勒效應。光的多普勒效應，就是離你漸近的時候光會發(fā)藍，漸遠的時候光會發(fā)紅。通過這個效應，我們只要精確測量光的波長，就可以算出遙遠星系里的速度。
魯賓是個很認真的人，她運算星際介質(zhì)的運行速度，并沒有只算一個地方的速度，而是認真計算了仙女座里里外外很多地方，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了重大問題。
按照常理，星系里不同位置的星體，運轉(zhuǎn)速度是不一樣的，因為它們受到的引力不一樣。引力的特點，是離得越遠，引力越小，具體而言是距離遠一倍，引力變成四分之一。以太陽系為例，行星離太陽越近，受到的引力就越大，所以行星必須飛速旋轉(zhuǎn)，有足夠的離心力對抗引力，才能不掉到太陽里去。而遠處的行星，旋轉(zhuǎn)速度反而不能太快，不然離心力超過引力，就會飛出太陽系。
太陽系是小星系，仙女座星系比太陽系要大得多，它里面有數(shù)以億計的太陽系一樣的小星系。然而和太陽系一樣的是，仙女座星系也是在核心位置聚集了最多的可見質(zhì)量。那么按照物理規(guī)律，這個星系里的氣體，根據(jù)距離星系中心的遠近不同，速度是不一樣的。但是魯賓仔細計算了仙女座星系的各個部分的氣體旋轉(zhuǎn)速度，發(fā)現(xiàn)居然都一樣。
對于這個反常的現(xiàn)象，魯賓認為，星系外側(cè)的氣體高速旋轉(zhuǎn)但還沒有飛出去，只能證明一件事，那就是整個仙女座星系里彌漫著非同尋常的東西，它們完全不可見，但是提供了大量引力，讓星系里各個部分都以相同的速度旋轉(zhuǎn)，但不會飛散架。
魯賓的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了世界科學界的關注，但是在一開始，這種關注主要是來自各方的攻擊和批判。在四十多年前，社會沒有今天這樣開放進步，傳統(tǒng)的偏見讓美國人不相信女性也可以有杰出的智慧貢獻，魯賓是女性，所以她的發(fā)現(xiàn)并不被學界認可。
在當時，一個女科學家的新發(fā)現(xiàn)如果被行業(yè)權(quán)威所否定，她通常會放棄自己的觀點。然而魯賓沒有屈服于他人的意見，她選擇了向事實去求助。為了驗證自己的觀點，魯賓精算了超過100個星系，發(fā)現(xiàn)星體的旋轉(zhuǎn)速度全都比預計的快。
魯賓的堅持終于有了回報，她的證據(jù)是如此的堅實，讓科學界最終確認了暗物質(zhì)的存在。這也是第一個不靠光和量子，純靠引力發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)。
從二十世紀八十年代初開始，各國的科學家都開始積極尋找暗物質(zhì)的本來面目，然而到2017年為止，我們還沒能真正揭開暗物質(zhì)的面紗，其原因就在于，暗物質(zhì)的性質(zhì)太奇特了。
茲威基和魯賓都說暗物質(zhì)是看不見的。但他們說的“看不見”，和我們一般意義上的看不見是不一樣的。
人類肉眼能看到東西，只有光而已，你能看到太陽，是因為太陽自身發(fā)光，你能看到桌上的蘋果，是因為蘋果反射光。如果房間里漆黑一片沒有光，那就算有再多的蘋果，我們也看不到，這說明我們平時看到的蘋果并非蘋果本身，而是蘋果反射的可見光。
人類是在太陽系里進化出來的，肉眼可見的光，其實是太陽最常發(fā)出的電磁波，其頻率是380～780納米，看到眼睛里就是七色光：赤橙黃綠青藍紫。除了可見光之外，在紅色光和紫色光之外，還有頻率更高或者頻率更低的電磁波，如紅外線和紫外線等，叫作不可見光。所謂不可見光，指的是肉眼不可見，我們沒有進化出那么豐富的感官，但是借助儀器，我們都能看得見。最典型的是黑洞，可見光走過去就被吸進去，只能看到一團黑，但是黑洞會發(fā)出X射線，這種X射線我們?nèi)庋劭床坏?，借助儀器能看到，所以盡管黑洞是黑的，但還是發(fā)光的，只不過肉眼看不到而已，這說明黑洞不是暗物質(zhì)。
暗物質(zhì)的“看不到”，是說用任何手段都看不到，它不發(fā)出任何電磁波，可見光和不可見光都不發(fā)出，也不會反射任何電磁波，可以說是徹底的“黑暗”。
要想知道暗物質(zhì)是什么，我們先要知道暗物質(zhì)不是什么。要排除一切不可能，才能接近真相。
當科學家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的時候，首先不會想這是個神秘物質(zhì)，而是先去假設暗物質(zhì)是看得到的一般物質(zhì)，可能只是因為太遠了，我們的望遠鏡看不到。
天文學家證實，宇宙里有一些物質(zhì)是望遠鏡看不到的，叫作“暗天體”。英文縮寫為MACHO，意思是“光環(huán)中的大質(zhì)量致密天體”。
暗天體有很多種，例如白矮星、褐矮星、行星等等。它們大部分不發(fā)光，或者會發(fā)非常微弱的光，由于距離遙遠，所以極難觀測。我們知道，一塊石頭是可見的，但是在一個沒有星光和燈光的黑夜里，要看見幾千米外的一塊黑乎乎的石頭，那可以說是難如登天。天文學家要看的都是億萬光年之外的黑石頭，看不到是很正常的。
暗天體很多，但是不是暗物質(zhì)呢？關鍵在于它們能否提供足夠的引力。按照愛因斯坦的相對論，引力是質(zhì)量導致的空間扭曲，空間一扭曲，光線也會被扭曲。換言之，大質(zhì)量的暗天體雖然無法被直接觀測，但是它們可以扭曲空間，從而扭曲光線，所以就有了觀察方式：如果亮星的光線被扭曲，就說明附近有巨大的暗天體，具體的表現(xiàn)是亮星的光先變亮，然后變暗。這種觀察法叫作“引力透鏡觀察法”。
科學家從二十世紀八十年代開始觀察暗天體。一開始他們信心滿滿，但是對眾多星系連續(xù)觀察了七年，總共只發(fā)現(xiàn)了13個暗天體，數(shù)量少得可憐。暗天體實在太少，哪怕是最夸張的估計，其質(zhì)量也到不了星系質(zhì)量的十分之一，不足以提供如此強大的引力。
所以，暗物質(zhì)并不是看不到的暗天體，它并不是星球一樣的東西，而是彌散在整個星系間的一種物質(zhì)，換言之，是我們身邊就有，只是我們察覺不到而已。
長期以來，科學家一直想知道，暗物質(zhì)是否是某種已知物質(zhì)。
我們知道，一般物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。原子非常非常小，50萬個原子排在一起，還沒有一根頭發(fā)粗。
在原子里面，有質(zhì)子、中子和電子，而質(zhì)子又是由各種夸克和膠子組成的?？傊?，我們已知的物質(zhì)，都是可以分解到基本粒子的，基本粒子就像積木，通過各種組合，搭建出我們可見的世界。
物理學家通過數(shù)學計算和觀測，建立了一套基本粒子模型。里面有各種各樣各樣的粒子，按理說，總該有一款適合暗物質(zhì)。
科學家首先希望知道，暗物質(zhì)和原子究竟是不是一家人，也就是說暗物質(zhì)是否也是由質(zhì)子、中子或者電子構(gòu)成的。
由于暗物質(zhì)無法觀測，所以科學家們想了一個繞路的法子，就是研究宇宙早期質(zhì)子和中子的總量，如果總量足夠大，說明暗物質(zhì)也是原子的一家人。要是總量不夠大，則說明暗物質(zhì)不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，和我們一般意義上的事物完全不同。
宇宙早期的質(zhì)子和中子的數(shù)量，是天文數(shù)字中的天文數(shù)字，要算出具體數(shù)值是不可能的，但是比例可以算。具體的方式，是看看在宇宙早期，元素氦和氘的數(shù)量比例是怎么樣的。如果氦多，則說明質(zhì)子和中子多，如果氘多，則說明質(zhì)子和中子不夠多。
宇宙早期我們怎么看到呢？答案是看遙遠的星體。宇宙有137億年歷史，所以光只走了137億年，于是我們在地球上也只能看到137億光年之內(nèi)的星體。我們只要看足夠遙遠的星體，那里的光就是來自于宇宙初期的，于是，我們也就看到宇宙初期的樣子了。
1996年，美國科學家泰特勒領導了一支團隊，對遙遠的遠古星體做了詳細的觀測和研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氘元素的比例很高，質(zhì)子和中子的量遠遠到不了暗物質(zhì)的要求，所以暗物質(zhì)根本不是我們所熟悉的任何物質(zhì)。實際上，原子構(gòu)成的物質(zhì)還不足暗物質(zhì)的五分之一。
我們對“暗物質(zhì)不是什么”知道得越多，也讓我們離“暗物質(zhì)是什么”的答案越來越近。
我們知道，暗物質(zhì)和原子無關，不發(fā)光也不反光，不帶電荷，幾乎和一切物質(zhì)都不發(fā)生作用，遇到東西直接穿過去?？茖W家根據(jù)這個條件，翻遍了標準粒子模型，排除了各種不可能，最后發(fā)現(xiàn)有三種名叫“中微子”的粒子是暗物質(zhì)的理想候選者。
中微子是一種遍布宇宙的粒子，數(shù)量巨大，每立方厘米有300個，不和其他物質(zhì)發(fā)生關系。由于其數(shù)量太大，只要有一丁點兒質(zhì)量，就足以滿足暗物質(zhì)的條件了。
抱著極大的希望，科學家們做了大量觀測來研究中微子的質(zhì)量。1998年，科學家觀測了中微子振蕩現(xiàn)象，獲得了中微子的質(zhì)量，大概是電子的一千萬分之一，幾乎約等于零。所以哪怕中微子在宇宙里數(shù)量驚人，總質(zhì)量也要在暗物質(zhì)的十五分之一以下，也就是說，中微子不是暗物質(zhì)。
中微子的失敗，意味著暗物質(zhì)不是任何一種已知的粒子，科學家辛苦打造的標準粒子模型并非包羅萬象，我們已知的一切，只是宇宙里很小的一部分。
失敗是成功之母，尋找暗物質(zhì)的道路雖然艱辛，但是如果能拓寬整個人類的視野，再艱辛也是值得的?，F(xiàn)在，科學家總結(jié)了四個暗物質(zhì)的條件，只要全部滿足，就是暗物質(zhì)了。
第一：不發(fā)光也不反光
第二：幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生碰撞
第三：質(zhì)量巨大，總質(zhì)量是其他可觀測物質(zhì)的五倍。
第四：初始速度幾乎為零。
暗物質(zhì)的第四個條件，是宇宙里一切星辰和物體得以出現(xiàn)的原因。在宇宙誕生的早期，由于暗物質(zhì)運動緩慢，一片片的堆積在一起，萬有引力效應導致一般物質(zhì)也跟隨暗物質(zhì)聚集起來，這樣才有了我們所知道的星系和星辰。如果暗物質(zhì)初始速度很高，在宇宙一誕生就四散飛行，沒有聚集，那我們的銀河系在一開始就根本不會存在，于是我們也無法存在。所以，尋找暗物質(zhì)也讓我們可以更深刻地了解生命的起源。
科學家發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)并非我們認識的任何事物，但這不意味著無法繼續(xù)尋找暗物質(zhì)了，恰恰相反，人類尋找暗物質(zhì)的步伐更加堅定了。
已知的科學和方法不適用于暗物質(zhì)，那么要找到暗物質(zhì)，就必須拓寬已知的科學范疇，然后用新的方法去尋找。
科學家認為，暗物質(zhì)很可能要比氫原子重得多，重幾千倍也不奇怪，因為如果暗物質(zhì)太輕了，就難以讓一般物質(zhì)輕易結(jié)合。
一名叫雷蒙德的數(shù)學物理學家，從數(shù)學角度，提出了暗物質(zhì)的另一種可能。他認為，標準粒子模型里之所以沒有暗物質(zhì)，是因為在數(shù)學上有缺陷，公式里面有無窮無法消除，所以必須修改。修改的結(jié)果，叫做“超對稱模型”，就是說標準粒子可能有一套鏡像般對稱的存在。
超對稱模型里的粒子，叫作“超對稱粒子”，其中的“中性微子”（包括光微子、Z微子、希格斯微子）不發(fā)光，基本不和其他物質(zhì)發(fā)生反應，質(zhì)量大，速度低，恰好符合暗物質(zhì)的四個基本要求，堪稱毫無瑕疵。按照數(shù)學上的預測，這些中性微子的質(zhì)量是氫原子的上千倍，我們周圍每立方米至少有上千個。中性微子的初始速度很低，在宇宙誕生137億年后的今天，速度大概是270km/h（這個速度離光速差得很遠，在宇宙的尺度上說還是低速）。
數(shù)學上的存在，不等于現(xiàn)實世界里也存在，但存在的可能性很大，所以科學家對其寄予了厚望。
科學家挖了一個離地面上千米的深坑，來做暗物質(zhì)實驗。為什么要這么深呢？因為厚厚的山體可以過濾很多其他射線，讓實驗專注于暗物質(zhì)。
實驗的器材，叫“大規(guī)模暗物質(zhì)氙探測器”，簡稱XMASS。氙和仙同音，是一種惰性氣體，質(zhì)量和暗物質(zhì)差不多。在大多數(shù)時候，暗物質(zhì)不會影響氙，但是在極其偶爾的情況下，暗物質(zhì)也許撞到氙，那時就會像撞臺球一樣，撞出光來。
XMASS設備的中心，是個直徑一米的球體，里面是零下一百度的液態(tài)線，還有642個光探測器，用于捕捉暗物質(zhì)和氙撞出的反光。雖然暗物質(zhì)和氙相撞的幾率低得可憐，但是只要預測正確，一秒鐘會有2000個暗物質(zhì)進入XMASS，假以時日，還是可以發(fā)現(xiàn)的。
要發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，不能光指望概率?？茖W家的“拼概率”，相當于我們常說的“拼人品”，運氣好的話，仁慈的大自然會很快揭示其秘密，運氣不好的話，敏感的大自然把秘密藏個幾百年也是正常的。XMASS雖然被寄予厚望，但是什么時候能有所斬獲，基本上就是聽天由命，也許明年就有結(jié)論，也許很長時間都不會有結(jié)果。
為了確保能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的本來面目，歐洲科學家走了一條完全不一樣的道路。他們認為，暗物質(zhì)就算再神秘，也是宇宙大爆炸時超高能量制造出來的物質(zhì)，那么只要能人工再現(xiàn)一次宇宙大爆炸的情景，就能直接生產(chǎn)出暗物質(zhì)了。法國和瑞士交界處的“歐洲核子研究組織”（簡稱CERN），擁有世界上最大的粒子物理學實驗室，那里面有一個“大型強子對撞機”（簡稱LHC），可以模仿宇宙誕生初期的粒子對撞。
LHC是一個周長27千米的環(huán)形設備，質(zhì)子在里面可以加速到接近光速，然后互相正面撞擊，從而制造出非常大的能量，力求回溯宇宙大爆炸之后千分之一秒的情況，再看能不能造出暗物質(zhì)。觀測的方式是看對撞能量是否均勻，如果暗物質(zhì)真的是超對稱粒子，就會觀測到一些異常的能量分布。不過，和XMASS一樣，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)不是那么輕而易舉的事情，所以CERN每隔一段時間就會更新對撞機的硬件，不斷提高實驗的能量和精度，以期盡早有所斬獲。
XMASS和CERN的實驗，都是希望尋找超對稱粒子，然而會不會理論方向本身就找偏了呢？
一些科學家認為，暗物質(zhì)還有一個潛在的候選者，叫作“軸子”。這也是一個理論上存在的粒子，還沒有找到。根據(jù)計算，如果軸子真實存在，它可以滿足暗物質(zhì)的各種條件，但是會非常輕，質(zhì)量只有質(zhì)子的100萬億分之一。所以，如果軸子是暗物質(zhì)，那要求宇宙里軸子的密度必須高得驚人。和超對稱粒子一樣，軸子也還沒有找到，但是多了一個潛在的候選者，畢竟就多了一分成功的希望。
現(xiàn)在，全世界的科學家都在競爭，看誰先找到暗物質(zhì)，到時候肯定不止一個人會獲得諾貝爾獎。然而這個新世界的大門，不是那么容易打開的，比大海撈針還要艱難得多，除了堅定不移的決心，還需要相當好的運氣。也許到下個月，我們就能看到“科學家揭開暗物質(zhì)真相”的新聞，也許再過一個世紀，人類也沒有實質(zhì)性的進展。
無論如何，暗物質(zhì)都在提醒我們，大自然神秘莫測，世界遠比我們所知的要廣闊深奧得多。曾經(jīng)有人問暗物質(zhì)的發(fā)明者魯賓，她覺得暗物質(zhì)會是什么，她是這么回答的：“我們不是很善于想象完全不同的東西，在偉大的自然面前，要保持謙卑”。
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