天文學是所有科學學科中最令人驚歎的一個。遠離文明造成的光汙染,在一個真正漆黑的夜晚仰望星空,單單是宇宙中充塞的東西的數量就足以讓你感到震撼。但現代天文學教授說,可以用肉眼看到的東西甚至還不到一半。天空中可以看到的東西有行星、彗星、恒星、星雲、星系和其他物質,這些加起來還不到總物質數量的15%。天文學家們戲稱其余的85%爲“暗物質”,因爲它既不吸收光,也不發出光。雖然他們確信它真實存在,但卻對它沒有任何直接的了解。科學家們爲什麽那麽肯定這些看不見的東西的存在呢?
最簡單的答案是,宇宙中的引力似乎太多了。科學家們能通過望遠鏡看到的東西還是太少太少了,無法解釋諸如星系結構以及恒星運動等問題。尤其是星系旋轉得似乎太快了,不能避免自己解體—至少從它們包含的可見物質的數量來判斷是這樣的。相反,看不見的暗物質造成的引力可能才是“宇宙膠水”。一個非常接近的類比就是19世紀時海王星的發現。人們在觀察到海王星之前就預測到了它的存在:科學家們注意到離海王星最近的鄰居——天王星的軌道並不太符合牛頓引力理論的預測。數學分析表明,假設太陽系中尚有未觀測到的第八顆行星,這個問題就可以很好地解決,而這一分析的確促成了海王星的發現。同樣,假設存在大量看不見的額外質量,就可以很好地解釋宇宙的行爲。
當然,還有另一種可能性。如果觀測和理論不符,那可能是因爲觀測不完整,也可能是觀測沒間題但理論錯了。也許重力在極大尺度上的表現和愛因斯坦相對論的預言不一樣呢。有幾位天體物理學家試圖對引力理論做出調整以解釋星系的運動。其中最著名的一個是由莫德采·米尔格若姆在20世紀80年代提出的,稱爲修正的牛頓力學。不過,修正的牛頓力學可以解釋某些觀測結果,卻難以解釋一切。大多數天體物理學家認爲,修正的牛頓力學對引力定律做出的調整混亂又不優雅,而物理學的一大奇妙之處就在于,優雅的規律(至少在過去)往往更接近事實。其他的觀測結果也支持這種構想,即有很多東西我們就是看不見。其中主要的一項是宇宙微波背景輻射——即宇宙大爆炸的微弱余晖。如果暗物質確實存在,它就符合理論的預期。
因此,幾乎所有的天文學家都相信一定還有大量其他物質存在。不過到底是什麽物質就是另外一個問題了。其中一些可能是司空見慣的東西—沒有恒星的行星、遊蕩的黑洞、衰老而冰冷的恒星核等。但最有希望的候選者是種新型的亞原子粒子。它被稱爲大質量弱相互作用粒子,人們認爲這種難以捉摸的龐然大物只通過引力和弱核力與宇宙相互作用,而這兩種力是四種基本力中最弱的兩個。和不易感知的中微子一樣,大質量弱相互作用粒子也同樣難以探測。許多實驗都在尋找其存在的直接證據。然而迄今爲止,所有的實驗都是一無所獲,而這個結果本身就很有意思。每個負面結果都縮小了大質量弱相互作用粒子存在的理論空間。大多數科學家都認爲未來總有能夠檢測到它的一天。但如果接下來幾十年的搜索依舊一無所獲,那將是最令人興奮的結果—因爲這意味著我們對宇宙的了解甚至比我們自認爲的還要少。
