第1章 詭祕暗物質的由來
1.1 什麼是暗物質？
我們知道，宇宙中有兩類天體：一類是像太陽那樣的發光的天體，在沒有光的環境中能被我們看到；另一類像月亮那樣，雖然不發光，卻可以反射或吸收光，在有光照的環境中也能被我們看到。但是人們發現，還有一類很詭異的物質暗藏在宇宙中，既不發光，也不吸收光、反射光或折射光，不僅在沒有光的黑暗中看不到，在有光線的環境中也完全透明，同樣看不到。這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質，被稱為暗物質，即暗藏在宇宙中的物質。
當然，這裡說的「光」不僅僅是指可見光，而是包括幾乎所有波段的「光」；這裡說的「看」也不僅僅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的現代望遠鏡或探測器的觀察。因此在暗物質的研究中，「暗」具有更為廣泛的含義。
「暗」的廣泛含義
「暗」的廣泛含義是什麼？更廣泛意義的「暗」，是基於更廣泛意義的「光」。光是什麼？光實質上是電磁波。科學家通常依據波長，把光（或稱電磁波）劃分為七個區段：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。天文和宇宙科學藉助於各種電磁波天文望遠鏡觀測宇宙中的天體。今天的天文觀測幾乎涵蓋了所有波段的電磁波。但是，不同探測設備對各波段「光」的反應不同，看到的圖像也不同。可見光只能看到表面，而X射線可以看到內部。同樣，我們藉助紅外光、紫外線和X射線分別看到了不同的宇宙。
由物理規律可知：①任何物體的溫度都不可能低於熱力學溫標的零度（相當於攝氏-273℃，用K表示）；②任何高於熱力學溫標零度的物體，都一定會有電磁波（或稱光波）輻射發出，只是輻射波長有所不同而已。這兩點告訴我們，宇宙中的任何物質都會有電磁波輻射。此外，物體還會與電磁波發生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我們能靈敏測量到所有波段的輻射光，宇宙中的任何物質都逃不過我們的觀察。
不難看出，塵埃、恆星及黑洞，無一不在我們所能觀察到的波長範圍內。可以說，不論是從表面發出的還是從星球內部發出的任何波段的「光」，均逃不過人類的「火眼金睛」，人類已經可以全波段、全方位觀察整個宇宙。
然而不幸的是，暗物質既不發出任何波段的電磁波，也不和任何波段的光發生作用，它深深隱藏在宇宙中。暗物質是用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到的物質，構成暗物質的基礎粒子，應該是暗物質粒子，大量暗物質聚集也可能形成暗物質天體。
這裡要注意，首先，暗物質不是我們通常講的黑物質，普通黑物質因為能夠吸收可見光而呈黑色，並非與可見光不發生作用。有人將尋找暗物質比喻成「在各種彩色豆中尋找黑豆」是不恰當的；其次，暗物質也不是黑暗中的物質。我們看不到黑暗中的物質是因為沒有光線，只能說明暗物質是「不發光的物質」，而無法證明「是否與光發生作用」。因此，把尋找暗物質比喻為「在暗室中尋找黑貓」也欠妥。應當說，暗物質是「既不發射任何波段的光、又對任何波段的光都絕對透明的物質」。某種意義上，暗物質類似於乾淨無瑕的普通玻璃，就像有時我們誤認為玻璃門沒有玻璃而撞到頭。（當然這僅僅是對可見光而言，普通玻璃強烈吸收紫外線，對紫外線就不透明了），我們尋找暗物質可以想像成在光線充足的明亮屋中，尋找不發光的絕對透明物體。
歷史上的「暗」物質事件
看不見的「暗」物質的事件，在二十世紀就曾經發生過。十九世紀末二十世紀初，科學家在放射線的研究中，發現微觀世界中能量的吸收和發射是不連續的，不僅原子的光譜不連續，從原子核中放出的射線也不連續。
金Au198原子核不連續的能階及其能階間的衰變，其射線能量正好等於原子核不同能階間的能量差，即射線的能量是單一的，符合量子世界中的能量守恆定律。奇怪的是，在釋放出電子的β衰變過程中，發現電子的能量並不單一，其能譜是連續的，電子所帶的能量只是能階差的一部分，還有一部分能量失蹤了。
1930年，奧地利物理學家包立（Wolfgang Ernst Pauli）依據能量守恆定律提出了一個假設：在β衰變的過程中，除了電子之外，同時還有一種質量為零、不帶電、與光子不同的未知粒子被發射，並帶走了一部分能量，因此出現了能量「丟失」，即能量守恆定律依然成立。透過能量守恆定律，我們知曉了一種未知粒子的存在，但當時還沒有能力探測到，便將它稱為看不到的「暗物質粒子」。後來透過實驗證實這種粒子的存在，並稱之為微中子。微中子與其他粒子並非不發生作用，只是交互作用極其微弱，難以探測。微中子實驗不僅看到了「未知的暗物質粒子」，還發現了當時還不了解的另一種交互作用，即弱交互作用（弱力）。
另一個有趣的事件，發生在從天王星之謎到海王星發現的過程中。
西元1820年，法國天文學家布瓦爾（Alexis Bouvard）依據當時的觀測資料和天體運動學原理，在計算天王星的運動軌道時出現了難以理解的瓶頸：他算出的軌道與觀測值落差很大。後來的很多年裡，人們累積了更多的觀察數據，計算時又考慮了離天王星最近的土星和木星的影響，但理論值和觀測值仍然相差很遠。天王星的觀測位置與計算位置相差之大，已遠遠超出了觀測的誤差範圍。
面對天王星運動之謎，人們一方面對依據牛頓力學的天體力學原理提出質疑，另一方面提出存在有看不到的「暗衛星」或「暗行星」的假設，並開始求證各種假設和質疑。直到1845年前後，兩位年輕的天文學家──英國的亞當斯（John Couch Adams）和法國的勒威耶（Urbain Le Verrier）基於逐漸逼近法，提出有可能在比天王星更遠的天區裡，有我們尚未看到的行星，並建議柏林天文臺的伽勒（Johann Gottfried Galle）立即搜尋該天區；沒過幾天，伽勒就觀察到這顆發光微弱的行星，並命名為海王星。
今天，如果我們相信主宰天體運動的引力理論是正確的話，那假設存在有看不見的暗物質，就和當年沒有發現海王星的情景一樣了。
1.1 什麼是暗物質？
我們知道，宇宙中有兩類天體：一類是像太陽那樣的發光的天體，在沒有光的環境中能被我們看到；另一類像月亮那樣，雖然不發光，卻可以反射或吸收光，在有光照的環境中也能被我們看到。但是人們發現，還有一類很詭異的物質暗藏在宇宙中，既不發光，也不吸收光、反射光或折射光，不僅在沒有光的黑暗中看不到，在有光線的環境中也完全透明，同樣看不到。這種不發光又絕對透明、在任何環境下都無法看到、卻又有質量的物質，被稱為暗物質，即暗藏在宇宙中的物質。
當然，這裡說的「光」不僅僅是指可見光，而是包括幾乎所有波段的「光」；這裡說的「看」也不僅僅是用人的眼睛看，它包括了所有形式的現代望遠鏡或探測器的觀察。因此在暗物質的研究中，「暗」具有更為廣泛的含義。
「暗」的廣泛含義
「暗」的廣泛含義是什麼？更廣泛意義的「暗」，是基於更廣泛意義的「光」。光是什麼？光實質上是電磁波。科學家通常依據波長，把光（或稱電磁波）劃分為七個區段：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。天文和宇宙科學藉助於各種電磁波天文望遠鏡觀測宇宙中的天體。今天的天文觀測幾乎涵蓋了所有波段的電磁波。但是，不同探測設備對各波段「光」的反應不同，看到的圖像也不同。可見光只能看到表面，而X射線可以看到內部。同樣，我們藉助紅外光、紫外線和X射線分別看到了不同的宇宙。
由物理規律可知：①任何物體的溫度都不可能低於熱力學溫標的零度（相當於攝氏-273℃，用K表示）；②任何高於熱力學溫標零度的物體，都一定會有電磁波（或稱光波）輻射發出，只是輻射波長有所不同而已。這兩點告訴我們，宇宙中的任何物質都會有電磁波輻射。此外，物體還會與電磁波發生吸收、反射或折射等作用。因此，只要我們能靈敏測量到所有波段的輻射光，宇宙中的任何物質都逃不過我們的觀察。
不難看出，塵埃、恆星及黑洞，無一不在我們所能觀察到的波長範圍內。可以說，不論是從表面發出的還是從星球內部發出的任何波段的「光」，均逃不過人類的「火眼金睛」，人類已經可以全波段、全方位觀察整個宇宙。
然而不幸的是，暗物質既不發出任何波段的電磁波，也不和任何波段的光發生作用，它深深隱藏在宇宙中。暗物質是用任何波段的探測器或望遠鏡都無法觀察到的物質，構成暗物質的基礎粒子，應該是暗物質粒子，大量暗物質聚集也可能形成暗物質天體。
這裡要注意，首先，暗物質不是我們通常講的黑物質，普通黑物質因為能夠吸收可見光而呈黑色，並非與可見光不發生作用。有人將尋找暗物質比喻成「在各種彩色豆中尋找黑豆」是不恰當的；其次，暗物質也不是黑暗中的物質。我們看不到黑暗中的物質是因為沒有光線，只能說明暗物質是「不發光的物質」，而無法證明「是否與光發生作用」。因此，把尋找暗物質比喻為「在暗室中尋找黑貓」也欠妥。應當說，暗物質是「既不發射任何波段的光、又對任何波段的光都絕對透明的物質」。某種意義上，暗物質類似於乾淨無瑕的普通玻璃，就像有時我們誤認為玻璃門沒有玻璃而撞到頭。（當然這僅僅是對可見光而言，普通玻璃強烈吸收紫外線，對紫外線就不透明了），我們尋找暗物質可以想像成在光線充足的明亮屋中，尋找不發光的絕對透明物體。
歷史上的「暗」物質事件
看不見的「暗」物質的事件，在二十世紀就曾經發生過。十九世紀末二十世紀初，科學家在放射線的研究中，發現微觀世界中能量的吸收和發射是不連續的，不僅原子的光譜不連續，從原子核中放出的射線也不連續。
金Au198原子核不連續的能階及其能階間的衰變，其射線能量正好等於原子核不同能階間的能量差，即射線的能量是單一的，符合量子世界中的能量守恆定律。奇怪的是，在釋放出電子的β衰變過程中，發現電子的能量並不單一，其能譜是連續的，電子所帶的能量只是能階差的一部分，還有一部分能量失蹤了。
1930年，奧地利物理學家包立（Wolfgang Ernst Pauli）依據能量守恆定律提出了一個假設：在β衰變的過程中，除了電子之外，同時還有一種質量為零、不帶電、與光子不同的未知粒子被發射，並帶走了一部分能量，因此出現了能量「丟失」，即能量守恆定律依然成立。透過能量守恆定律，我們知曉了一種未知粒子的存在，但當時還沒有能力探測到，便將它稱為看不到的「暗物質粒子」。後來透過實驗證實這種粒子的存在，並稱之為微中子。微中子與其他粒子並非不發生作用，只是交互作用極其微弱，難以探測。微中子實驗不僅看到了「未知的暗物質粒子」，還發現了當時還不了解的另一種交互作用，即弱交互作用（弱力）。
另一個有趣的事件，發生在從天王星之謎到海王星發現的過程中。
西元1820年，法國天文學家布瓦爾（Alexis Bouvard）依據當時的觀測資料和天體運動學原理，在計算天王星的運動軌道時出現了難以理解的瓶頸：他算出的軌道與觀測值落差很大。後來的很多年裡，人們累積了更多的觀察數據，計算時又考慮了離天王星最近的土星和木星的影響，但理論值和觀測值仍然相差很遠。天王星的觀測位置與計算位置相差之大，已遠遠超出了觀測的誤差範圍。
面對天王星運動之謎，人們一方面對依據牛頓力學的天體力學原理提出質疑，另一方面提出存在有看不到的「暗衛星」或「暗行星」的假設，並開始求證各種假設和質疑。直到1845年前後，兩位年輕的天文學家──英國的亞當斯（John Couch Adams）和法國的勒威耶（Urbain Le Verrier）基於逐漸逼近法，提出有可能在比天王星更遠的天區裡，有我們尚未看到的行星，並建議柏林天文臺的伽勒（Johann Gottfried Galle）立即搜尋該天區；沒過幾天，伽勒就觀察到這顆發光微弱的行星，並命名為海王星。
今天，如果我們相信主宰天體運動的引力理論是正確的話，那假設存在有看不見的暗物質，就和當年沒有發現海王星的情景一樣了。
