如何证明暗物质或暗能量存在？

文/戴夫·戈德伯格 译/刘璐
怎么解释我们所看到的宇宙必定需要暗物质或暗能量？暗物质或暗能量是观测误差吗？目前已观测的宇宙现象，必须要通过暗物质和暗能量才能解释吗？这个观点是否已经被科学家广泛接受？

我想为此做一下辩解。在讨论暗物质以前，我写过几篇这方面的文章，我几乎总能收到某种反馈，指责物理学家懒惰、顽固，甚至在学术上不诚实。对某些人来说，暗物质似乎像物理学家的胡言乱语，用来掩饰他们对宇宙一无所知的事实。

我们回顾一下，20世纪的20年代，天文学家弗里茨·兹威基发现，星系成团成簇地高速转动，除非有大量非恒星或非气体形式的物质存在，否则这些团簇用不了多少时间就会四散而去。20世纪70年代，维拉·鲁本在单个星系中发现了同样的情况。据粗略估计，宇宙中95%的物质都是不为我们所知的东西。

将宇宙万物细分开来，普通物质占5%，暗物质占25%，其余70%是暗能量。

现在我还不想从暗能量开始讲，暗能量对宇宙膨胀有加速作用，所以如果你不理解暗物质，就很难弄明白暗能量。不是我们不大了解暗物质的起源，只是那个“自然”值（从基于真空能量所做的合理假设得出）是我们实际观察到的密度的10-100倍。在我看来，这绝对是物理学界最大的问题。

我们对暗物质高度肯定的所有知识都已在名称上表现出来。它不带任何电荷（光与带电粒子有强烈的相互作用，所以很容易看到）；它不是由原子构成的，因为原子也比较容易看到。有些人之所以对暗物质如此不屑，是因为他们只看到那些老掉牙的论据，他们这样武断是因为：（1）我们从未检测到暗物质粒子；（2）我们实际上不清楚暗物质是什么。

可是，我们有许多理由相信暗物质的存在，因为星系一旦离开暗物质将会分崩离析。下面是三个很好的理由：

一、引力透镜

光线穿过大质量物体时会发生弯曲。因此我们可以利用背景星系的扭曲图像绘制宇宙质量图。在那些对戴夫·戈德伯格背景信息感兴趣的人看来，这就是我研究的领域。我们对数超大质量的星系团进行了透镜重建（并且发现了许多额外质量），但是只有一个系统备受媒体关注。著名的子弹星系团是两个星系团碰撞的产物。图像顶部是碰撞的区域（图中红色部分）。图片上的蓝色表示引力透镜显示质量所在的位置。无论这些质量由什么组成，都不可能是气体或恒星。这是迄今最接近“看到”暗物质的图像。

在暗物质研究中，透镜重建具有双重功能。我们可以利用它在银河系里寻找暗星（或许还有黑洞）。只要有一个暗星或黑洞在更遥远的恒星面前经过，这颗恒星便会被放大。这种想法听上去很酷，但是我们现在可以肯定地说，银河系（可能还有其他星系）里存在的黑洞不够多，不能解决暗物质问题。

二、大爆炸

即使你相信宇宙中存在着未被观测到的质量，这也不意味着暗物质有什么特别奇异之处，它可能就是普通物质，只是我们不知何故看不见而已。我们很清楚宇宙大爆炸过程中轻元素是如何产生的。事实上，化学非常简单，真正能够套入的数字只有宇宙中原子质量的密度。例如，如果宇宙中的所有物质都很普通，那么我们看到的氘要比实际看到的要少一千倍。

三、历史先例

事实上我们还从来没有看见过暗物质粒子，如果因此望而却步那就不应该了。1920年，卢瑟福预言中子（也是一种中性粒子，因此很难检测得到）的存在，过了十二年中子才被发现。狄拉克预言反物质的存在，比第一次检测到早了27年。1930年，泡利预言了中微子的存在，26年后中微子才被发现。我们有很好的追踪记录，所以能够在看到某些存在物之前推测到它们的存在。我们有好的理论，所以如果大型强子对撞机或其他实验设备探测到“最轻超对称粒子”，那也是意料中的事；如果最终证明是其他什么，我也同样不会感到惊讶。

这还不是全部。我们的宇宙图像如果加入了暗物质，就能够非常完美地解释一切，包括宇宙微波背景中分布的热暗斑块和宇宙的年龄、星系的演变和结构。如果没有暗物质，这一切都解释不通。

不过仍然有人可能会说，修正了的牛顿动力学能解释暗物质的必要性吗？从根本上说，这是在问如果爱因斯坦错了怎么办。当然，爱因斯坦可能错了。如果是这样的话,我们的一两个论点会有点麻烦，但不影响其他。但是牛顿动力学有一个非常大的障碍要克服：它必须能够解释相对论。无论到哪天，我都把宝押在暗物质和广义相对论上。

戴夫·戈德伯格，德雷克塞尔大学物理学副教授，和杰夫·布朗奇斯合著有《宇宙用户指南:在黑洞、时间悖论和量子不确定性中生存》。