天文學家就是偷窺者#
最早的望遠鏡被稱為「偷窺鏡」——當時放大倍數很低、沒什麼軍事或科學用途，人們買主要是為了偷窥鄰居。
從某種意義上說，天文學家和偷窺者差不多——都是充滿好奇心地觀察東西。只是天文學家看的東西更多、看的時間更長、看得更用心。
本章內容就像——你發現有些鄰居的行為實在太怪異了。
星系團的怪異行為#
銀河系的結構#
- 太陽處在「銀河系」中。銀河系是盤狀的，有若干螺旋臂。太陽位於某條不起眼螺旋臂的不起眼位置。
- 每個星系可能有千億甚至萬億顆恒星。
- 宇宙中至少有千億個像銀河系這樣的星系。星系們又組成星系團。
茲威基的 1937 年發現#
1937 年天文學家弗里茨・茲威基（Fritz Zwicky）觀察「後髮座星系團」，測量幾個星系繞星系團旋轉的速度——發現這些星系的移動速度都太快了。
繩子旋轉實驗#
拿一根耳機線快速甩動——轉速越快，你的手指要越用力。若手抓不住繩子就會飛出去。星系繞星系團中心轉也是這個道理——中心提供的引力決定了能支持的旋轉速度。
茲威基估算後髮座星系團內部的星系能提供的引力——這個引力根本支撐不了外面星系旋轉的速度。那幾個星系都應該被甩出去才對。
茲威基據此判斷：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。此後每個星系團都有這個現象。
薇拉・魯賓的 1976 年發現#
1976 年女天文學家薇拉・魯賓（Vera Rubin）觀察恒星繞星系的轉動。
- 星系可見部分越往外的恒星轉速越快——這可以理解。
- 星系最邊緣的恒星也是越往外越快——這就不對了，因為再往外就沒多少恒星提供更多引力了。
無論星系繞星系團轉還是恒星繞星系轉，速度都比計算的快得多。
鄰居的比喻#
這就像你密切觀察鄰居家——
- 詳細記錄出行情況、發現他們平時不出門、只在週末出去買食物。
- 仔細測量買回來的食物總共多少熱量。
- 發現這些東西根本不夠一家人吃一周。
那這一家人是怎麼生存的？最合理的解釋：鄰居吃了一些你看不到的東西。
暗物質 = 已知物質的 6 倍#
物理學家把提供多餘引力的東西稱為「暗物質」（dark matter）。計算表明——暗物質的總質量必須是已知物質的 6 倍，才能解釋那麼高的旋轉速度。
加入暗物質後，銀河系的圖像是這樣的：整個星系被一層厚厚的暗物質包圍，中間濃、外面淡。
因為太陽系只是整個星系中間的一小塊區域、行星衛星太小——運動不會受暗物質影響，我們感覺不到。
暗物質不是普通物質#
第一反應：暗物質是不是一些太暗而看不到的正常物質？物理學家已經排除了這種可能性：
排除已知候選#
- 黑洞？黑洞周圍星體繞轉、我們能看出來——不是。
- 星際間氣體雲？氣體雲會影響遠方星光，但我們沒發現這種影響——不是。
- 流浪行星？我們太陽系總重的 4/5 在太陽上而非行星上——宇宙不太可能是行星集中那麼大比例的質量。
大爆炸核反應的計算#
物理學家還可以從另一方面證明。大爆炸產生的氫原子和氦原子核比例是 10:1——這個比例與微波背景輻射的觀測結果對得上。
也就是說暗物質根本沒參與核反應。
暗物質的詭異特性#
目前所有儀器都測不到暗物質。物理學家知道的四種相互作用（引力、強、弱、電磁），暗物質很可能除引力外其他都不參與。
你在生活中在原子核外能感受到的所有「力」（看光、被打一下會疼）都是電磁力——但暗物質不參與電磁力。
你的房間裡遍布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、看不到，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。
各種可能性#
物理學告訴我們所有東西都有引力。但**「有引力」就一定「有東西」嗎**？也許我們需要在牛頓、愛因斯坦之後再出一位神人給我們新的引力理論。
- 廣義相對論在星系尺度上出錯？有人做這個工作，但多數物理學家對廣義相對論很有信心。
- 高維空間的引力？存在一個跟我們空間重疊的平行宇宙？可能性似乎都不大。
- 暗物質也參與強或弱電相互作用，只是太微弱？這是物理學家的主要指望。
上天入地找暗物質#
物理學家正上天入地地探測暗物質——把專門衛星送上太空、在地底下挖很深的坑、用最高能級粒子加速器搞碰撞——希望找到一兩個「暗物質粒子」。
但從 1937 年茲威基的發現至今 80 多年過去了，物理學家對暗物質的了解仍然沒有突破。
對抗膨脹的力量#
物理學家回頭又算了一下——宇宙膨脹過程中有兩種力量對抗：
- 引力：把東西聚集到一起。
- 膨脹：把東西分散開。
這兩種力量若平衡得不好——引力太強，原子剛誕生就都擠在一起；引力太弱，就不會有機會凝聚成恒星。
物理學家計算：已知的寻常物質的引力，根本對抗不了大爆炸的膨脹。需要依靠暗物質的陪伴才有今天的宇宙。
需要多少暗物質？
正好也是已知物質總質量的 6 倍。
暗物質完全是物理學家因算數對不上而認為必須存在的一種東西——但我們至今對暗物質還沒有任何直接的觀測。
只要存在就有辦法看到#
在物理學史上這是司空見慣的局面。19 世紀測量太陽光到地球的能量——太陽到底燃燒什麼才能產生這麼大能量？當時有人猜「太陽上燃燒的是煤」。後來發現是核反應。
精神一樣——我這裡數字對不上，你那裡必定有別的東西。
最後看一張照片：這是在地球的晚上拍攝的太陽照片——太陽在地球的另一面。物理學家把鏡頭向下、透過地球拍到了太陽。這張照片拍的不是太陽光、而是太陽發射的中微子——中微子橫穿整個地球都暢通無阻、但最終還是被物理學家捕捉到了。
所以作者敢說——只要暗物質存在，物理學家就一定有辦法「看到」它。