1900年的4月27日，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉·汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他对20世纪物理学前景作出展望，“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云”。而这两朵著名的乌云，分别诞生出了现代物理学两大支柱：量子力学和相对论。
然而，经过科学家们一百多年的努力，随着对这两朵乌云认识的加深，21世纪物理学天空却并未因此晴朗，一朵名为“暗物质”的乌云向我们滚滚袭来。大多数科学家认为，宇宙中充满了一种我们看不见的物质，它们甚至占据了宇宙物质的85%。而近日，荷兰理论物理学家Erik Verlinde提出了一种没有暗物质的引力理论，引发了物理学界的地震。今天，我们就来聊一聊“暗物质”，这朵让21世纪物理学家们彻夜忧虑的乌云。
看不见的存在
每天我们都会通过手机、电脑等设备连接互联网，互联网是一个能够承载数十亿人同时在线的巨大载体，但社交网站上的大多数人并不会直接接触，甚至连间接接触都没有。所以，大多数网民对持不同观点的陌生群体毫不关心。而暗物质如同那些我们忽略掉的互联网社群一般，我们在日常生活中并不会感觉到它的存在。因为它的作用非常弱，因而形成了独特的一类，完全和普通物质分隔开来。
最早提出暗物质概念的是瑞士天文学家弗里茨·兹威基，他在1933年观察了后发座星系团中的星系速度。根据对恒星速度的测量，兹威基计算了星系团所需的质量总量，从而产生足够的引力。结果他发现，所需的质量总量是所测量到的发光质量（产生光线的物质）总量的400倍。为了解释这一结果，兹威基提出，存在一种额外的物质，并将其命名为“dunkle Materie”（德语对“暗物质”的称呼）。
事实上，兹威基并不是最早获取这一发现的人，荷兰天文学家简·奥尔特、瑞典天文学家克努特·伦德马克等人都曾发现星系团引力与可见物质量之间比值异常，但暗物质在相当长的一段时间里基本上是被完全忽略的。这个想法在20世纪70年代才再次流行起来。天文学家对卫星星系（在大质量星系附近的小质量星系）的运动进行了观测后发现，只有额外的看不见的物质存在时，才能够解释它们的运动。
从20世纪70年代起，关于暗物质存在的证据变得越来越强，它占宇宙净能量的比例被测量得越来越精确。据计算，暗物质占宇宙物质的85%，而普通物质，比如包含在恒星、气体以及人体中的物质，只占15%。跟普通物质的材料构成不同，暗物质不是原子或者我们熟知的不与光相互作用的基本粒子构成的，给它命名的科学家因为我们看不见它们而命名为“暗物质”。
但在兰道尔看来，“暗”这个称呼是不合适的。通常情况下，我们看见暗的东西是因为光被吸收。而暗物质其实不暗，它是透明的或者说是无视光的。因为不与光发生作用，当光击中暗物质时，不管是物质还是光，都不会因此改变。暗物质的这一特性也使得科学家们无法直接观测到它们。
引力透镜效应，让暗物质现形
虽然没有人能够看见暗物质本身，但暗物质能够通过引力影响它周围的物质，甚至是光。多才多艺的弗里茨·兹威基第一个提出了通过引力透镜效应来观察暗物质，这个提议背后的想法是：位于其他地方的发光物体所产生的光线，会因为暗物质的引力效应改变其传播路径。位于传播路径途中的大质量天体（比如星系团）会导致发光物体的光线路径发生偏折。当星系团足够重时，路径的偏折效应可以被观测到。
发光物体在强引力透镜作用下能够产生多个像；在弱引力透镜情况下，星系的形状会被扭曲，不会产生多个像，因此能够被应用于星系团的边缘，在那里，引力效应不是那么明显。就像星系团中星系的速度观测结果导致了兹威基的第一个疯狂结论一般，尽管暗物质本身不可见，但通过被偏折的光所产生的可观测效应可以获知星系团的总质量。引力透镜效应非常有趣，在一定程度上它是一种直接看到暗物质的方式。
子弹星系团的引力透镜效应
子弹星系团是暗物质存在的最强证据 ，它由至少两个星系团合并而成。合并前的星系团包含了暗物质和普通物质，也就是X射线辐射气体。气体能够感受到电磁相互作用力，这能够非常有效地阻止两个星系团的气体持续穿过彼此，导致的结果是最开始随着星系团运动的气体被阻挡在了中间部分。另外，就像子弹星系团所表现的那样，暗物质不管是与气体还是自身都几乎没有相互作用。所以它可以没有任何阻碍地穿过，从而在合并星系团的外区形成类似米老鼠耳朵的球形形状。气体就像从不同方向来的车在并道之后导致的交通堵塞，而暗物质就像非常轻巧、可以自由移动的摩托车，能够不受限制地通过。
尽管暗物质不能被看到，它却在宇宙结构的形成过程中扮演着举足轻重的角色，暗物质是这个结构中还未被理解的大多数事物。如果暗物质在早期宇宙中不存在，那么我们现在就不会在这里品头论足，更不要说得到宇宙演化的一致性图景。没有暗物质，宇宙就不会有足够的时间形成现在的结构。暗物质团块作为种子，促进了银河系和其他星系或者星系群的形成。没有星系，就不会有恒星，也不会有太阳系，当然也不会有生命。
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7:51 暗物质与恐龙 来自湛庐文化
朗读者：湛庐文化创始人、董事长韩焱）
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