幾個世紀以來，物理學教給我們的最大的經驗就是，有如此之多的物質是人類看不到的。
我們時常會忽略那些不感興趣的事物：劃過黑暗夜空的流星；叢林漫步時，尾隨身後的小動物；路過城鎮時，那些宏偉建築的細節之美……所有這些，即使它們在我們的視野之內，我們也時常會忽略它們。我們的身體是細菌的“殖民地”：10倍於人體細胞的細菌細胞居住在我們體內，幫助我們生存下去。然而，我們幾乎不會意識到這些微生物的存在，它們卻可以幫我們吸收營養、促進消化。只有當這些細菌使我們生病時，我們才會意識到它們的存在。
為了瞭解這些事情，你必須深入觀察，而且你必須知道如何觀察。至少從原則上看，這些現象是可以被看到的。想像一下，在理解某個你無法看到的事物時，會有多困難。暗物質就是其中之一。在宇宙中，我們難以找到它，它和我們理解的普遍物質僅僅有著微不足道的相互作用。在這一章中，我將會列舉很多測量證據，天文學家和物理學家通過它們來證明暗物質的存在。我還將從以下幾個方面介紹一下這個難以被找到的物質：它是什麼，它為什麼看起來如此複雜，而從某些重要的角度看，它為什麼又如此簡單。
暗物質
在宇宙中難以被找到的東西，它和我們理解的普遍物質僅僅有著微不足道的相互作用。暗物質可以直接通過我們的身體，也存在於外部世界中。我們無法察覺到暗物質。至少在人們目前能夠探測到的程度上來看，暗物質不與光相互作用。
看不見的存在
儘管互聯網是一個能夠承載數十億人同時在線的巨大載體，但社交網站上的大多數人並不會直接接觸，甚至連間接接觸都沒有。參與者往往只與志同道合的人做朋友，追蹤那些有相似興趣的人，只關注那些能夠代表他們自己個體世界觀的新聞媒體。正是因為這種有限制的接觸，在線網民被分割成許多不同的、而且不相互接觸的人群。在這個人群中，他們之間幾乎很難遇到持反對意見的觀點，甚至朋友的朋友也不會因為相反意見而爭論。所以，大多數網民對持不同觀點的陌生群體毫不關心。
人類並不是故步自封的物種，但當談到暗物質時，我們的確有點愧疚。暗物質並不是普通物質社會網絡中的一部分。它存在於我們現在還不知道如何進入的某個“網絡聊天室”中。它存在於相同的宇宙中，甚至佔據著和可見物質一樣的空間。暗物質粒子與普通物質通過一種我們覺察不到的方式相互作用著。就如同那些我們忽略掉的互聯網社群一般，除非被告知它就是暗物質，否則，我們在日常生活中並不會感覺到它的存在。
就像我們體內的細菌一樣，暗物質正好就是我們眼前眾多宇宙中的一個。就像那些微生物一樣，它們就在周圍。暗物質可以直接通過我們的身體，也存在於外部世界中。然而我們不會注意到它的任何影響，因為它的作用非常弱，因而形成了獨特的一類，完全和普通物質分隔開來。
暗物質是很重要的一類。然而，和細菌細胞不同——細菌儘管很多，也僅僅佔人體體重的1%或2%；暗物質卻佔到宇宙物質成分的85%。在你身邊的每一立方厘米空氣中，就包含有一個質子重量的物質。這個數值的大小依賴於你如何看它。這意味著，如果構成暗物質的粒子的質量和普通物質的粒子質量相當，並且如果這些粒子按照我們所理解的動力學所期望的速度運動的話，那麼每一秒鐘會有幾十億個物質粒子通過人的身體，而沒有人注意到它們。雖然有幾十億個暗物質粒子，但它們對我們的影響依舊微不足道。
我們無法察覺到暗物質。至少在人們目前能夠探測到的程度上來看，暗物質不與光相互作用。暗物質不是由像普通物質一樣的材料所構成的，不是由原子或者我們熟知的不與光相互作用的基本粒子構成的，而光是我們瞭解事物本質的主要因素。我和同事最希望解決的謎團就是，暗物質具體是由什麼構成的。它包含一類新型粒子嗎？如果包含，那麼其性質是什麼？除了引力之外，它還有任何其他相互作用嗎？如果我們走運的話，在現在的試驗中暗物質粒子或許會表現出一些異常微小的電磁相互作用力，只是它還太小，我們目前還無法探測到。專門的探測器一直在搜尋（我將會在第三部分解釋如何搜尋），但到目前為止，暗物質依舊不為人類所見。以目前探測器的靈敏度，暗物質的效應還沒有影響到探測器。
當大量暗物質聚集到一起時，其淨引力效應非常巨大，對恆星和周圍的星系存在可觀測的影響。暗物質會影響宇宙的膨脹，也會影響從遙遠天體到達地球的光線的路徑，還會影響圍繞星系中心
運動的恆星軌道，以及許多其他讓我們確信它存在的可觀測現象。暗物質的確存在，因為它們具有一些可測量的引力效應。
儘管暗物質不能被看到，也不能被覺察到，它卻在宇宙結構的形成過程中扮演著舉足輕重的角色，暗物質是這個結構中還未被理解的大多數事物。就如建造金字塔、修高速公路或者組裝電器的工人，即使擁有決定權的精英看不到他們，但他們對於文明的發展與進步卻極為重要。正如在我們身邊其他一些被忽略的人群一般，暗物質對我們的世界來說非常重要。
如果暗物質在早期宇宙中不存在，那麼我們現在就不會在這裡品頭論足，更不要說得到宇宙演化的一致性圖景。沒有暗物質，宇宙就不會有足夠的時間形成現在的結構。暗物質團塊作為種子，促進了銀河系和其他星系或者星系群的形成。沒有星系，就不會有恆星，也不會有太陽系，當然也不會有生命。即使到今天，星系以及星系團能夠保持完整還要歸功於暗物質的整體作用。如前文所言，如果暗物質盤存在的話，暗物質或許與太陽系的軌跡有關。
但我們並沒有直接觀察到暗物質。科學家們已經研究了很多形式的物質，對於其組成的研究，都是利用某種形式的光，或者從更為廣泛的意義上來說，是利用電磁輻射來觀測的。電磁輻射在光學頻率上表現為光，在我們所能夠看到的有限頻率範圍之外，它們表現為無線電波或者紫外輻射等。或者在顯微鏡下，或者利用雷達裝置，或者利用一幅照片上的光學成像，這種效應都可以被觀察到。但無論如何，電磁效應總是會涉及其中。儘管很多情況下帶電粒子和光會直接作用，但並非所有的相互作用都是直接的。在粒子物理學標準模型中的粒子（也是構成物質最基本的組成部分），它們之間相互作用很強，所以即使光不是它們的“直接朋友”，也至少是所見物質的“朋友的朋友”。
不僅僅是視覺，我們的其他感官（觸覺、嗅覺、味覺和聽覺）也都依賴於原子的相互作用，這種相互作用依賴於和一些帶電粒子的相互作用。而且觸覺也依賴於電磁震動和相互作用。人類的感受都是基於一定的電磁相互作用，我們無法通過常規方式直接探測到暗物質。儘管暗物質就在周圍，但我們不能夠看見或者感受到它。當光照射到暗物質上的時候，它沒有任何反應——光僅僅是穿過而已。
從來沒有人看到過（或者感覺到或者聞到過）暗物質，所以每次我和人們談起暗物質的時候，他們對暗物質的存在都很吃驚，並且覺得它很神秘，甚至會覺得這可能是一個錯誤。通常人們問得最多的問題就是：作為比普通物質總量多5倍的物質，傳統的望遠鏡探測怎麼可能探測不到它呢？我個人期望的正好相反，但必須承認，並非所有人都這麼認為。如果我們用眼睛看到的物質就是所有存在的物質，那麼這對我來說更是不可理解的。為什麼我們會有完美的感官，讓我們直接感受到所有事物？幾個世紀以來，物理學教給我們的最大的經驗就是，有如此之多的物質是人類看不到的。從這個角度來看，這個問題就變成了：為什麼我們所瞭解的事物就應該佔有那麼多的宇宙能量密度？
對一些人來說，尤其是對於暗物質懷疑論者，暗物質聽起來非常怪異。但與修改引力定律相比，提出暗物質存在的建議並不草率。儘管我們的確對暗物質不熟悉，但還是有一個尚可的傳統解釋，它和現有的所有物理定律完全一致。為什麼遵循所有已知物理定律的物質就應該表現得和普通物質一樣？簡明地說就是，為什麼所有的物質都應該與光相互作用？暗物質可以是那些有不同電荷或者根本就沒有電荷的物質。因為沒有電荷或者沒有與帶電粒子的相互作用，暗物質就不能吸收或者發射光子。
我對“暗物質”的名字有點想法。我對它的“物質”部分沒有問題，暗物質的確是一種物質，這就意味著它能夠成團並且施加引力效應，就像其他所有物質一樣通過引力相互作用。物理學家和天文學家依賴於這種相互作用的多種方式，探測到了它的存在。但它名字中的“暗”在我看來是不合適的。通常情況下，我們看見暗的東西是因為光被吸收了。另外，這個不吉祥的標籤掩蓋了它實際的威力，並產生了更大的負面效應。暗物質並不暗，它是透明的。暗的物質吸收光，而透明的物質是“無視”光的。光能夠擊中暗物質，但不管是物質還是光，都不會因此而改變。
在一次會議中，有很多不同領域的人參加。會上我碰到了一位專注於品牌營銷的專家馬西莫。當我告訴他我的研究領域時，他難以置信地看著我並問道：“為什麼叫暗物質？”他的反對並不是針對科學，而是針對這個名字背後不必要的負面含義，儘管並不是每一個和“暗”相關的名字都具有負面意義，比如“黑暗騎士”（Dark Knight）指的就是一個好人。與電影《黑暗陰影》（Dark Shadows）、《黑暗物質》（His Dark Materials）、《變形金剛3：月黑之時》（Transformers：Dark of the Moon）、達斯·維德（Darth Vader）的《力量的黑暗面》（Dark Side of the Force）中使用的“暗”相比，“暗物質”中的“暗”還是非常溫和的。儘管我們對黑暗的事物有許多不好的想像，但暗物質和它的名字並沒有什麼關係。
然而，暗物質的確和那些邪惡之物有著一個共同特徵：它藏在我們的視線之外。從這個意義上來說，“暗物質”的名字起得很恰當，因為無論如何加熱暗物質，它都不會發光。從這種意義上而言，它的確是暗的，但不是從不透明的意義上而言的，而是從發射光或者反射光的的意義上而言的。沒有人能夠直接看到暗物質，甚至利用顯微鏡或者望遠鏡也不能。就如同許多電影或者小說中的邪惡精靈一般，它的不可見性反而起到了保護性作用。
馬西莫覺得“透明物質”這個名字更好，至少不會那麼嚇人。儘管從物理學的角度來說這是對的，但我並不認同。“暗物質”即使不是我最喜歡的稱呼，卻也吸引了相當的注意力。無論如何，如果數量不是非常龐大的話，暗物質既不邪惡也不強大。它和普通物質的相互作用非常小，所以找到它非常困難。這也是它為什麼如此有趣的部分原因。
黑洞與暗能量，我們居住在一個黑暗年代
黑洞
黑洞是一類太多物質被擠壓到一塊非常小的區域之內時，所形成的天體。沒有任何事物，包括光，能夠逃脫其強大引力場的影響。黑洞會吸收光和任何非常靠近它的物質。它既不輻射，也不向外反射光。但是黑洞和暗物質是完全不同的概念，這一點不應該混淆。
通常除了上面提到的聽起來不好的影響之外，“暗物質”的名字還會導致一些混淆。比如，許多人都不能區分暗物質和黑洞。黑洞是大部分同類物質被集中擠壓到一塊非常小的區域之內時，所形成的天體。沒有任何事物，包括光，能夠逃脫其強大的引力場。除了在“黑色”上類似之外，黑洞與暗物質、黑墨水以及黑色電影沒有更多相似之處。暗物質與光不發生作用，黑洞會吸收光和任何非常靠近它的物質。所有進入其中的光都在裡面，所以黑洞是黑色的——它既不輻射，也不向外反射光。因為任何形式的物質都能夠坍縮成黑洞，所以暗物質或許與黑洞的形成也有關係。但黑洞和暗物質是完全不同的概念，這一點不應該混淆。
另外一個更深的誤解是由“暗物質”這個名字而引起的。宇宙的另外一個成分叫作暗能量，這個名字的選擇也很有問題，人們時常將它和暗物質混淆。儘管它又偏離了我們的主題，但對於當今的宇宙學，暗能量是一個非常重要的部分。所以我現在需要再澄清一下。
暗能量不是物質，它僅僅是能量。即使沒有真實的粒子或者其他形式的物質在周圍，暗能量也是存在的。它並不像普通物質結塊成團，它滲透於宇宙的各個角落。暗能量的密度在各個地方都是均勻一致的。它與暗物質非常不同，暗物質能夠聚集成物體，在不同地方的密度會不一樣。暗物質和普通物質非常相像，它們會被限制在恆星、星系和星系團等之內。而暗能量的分佈總是均勻的。
暗能量隨時間保持常數，這一點與物質和輻射不同。隨著宇宙膨脹，暗能量並不會被稀釋，這是它比較穩定的性質。暗能量不會被粒子或者物質所攜帶，它的密度不隨時間發生改變。基於這個原因，物理學家們時常稱這種能量為宇宙學常數。
在宇宙演化早期，多數宇宙能量由輻射所攜帶。但輻射比物質稀釋得更快，所以物質最終將超過輻射，成為宇宙能量最大的貢獻體。在宇宙演化的晚期，物質和輻射被稀釋，但暗能量永遠不會被稀釋，因此暗能量逐漸佔據主導地位，現在大約占宇宙能量密度的70%。
在愛因斯坦提出相對論之前，人們認為只有相對能量，也就是兩個不同系統之間的能量差別。但在知道了愛因斯坦的理論之後，我們知道能量的絕對值本身也是有意義的，並能夠產生一種引力效果，它能夠讓宇宙坍縮或者膨脹。量子力學和引力理論表明，暗能量應該存在，並且愛因斯坦的理論告訴我們，它有一些物理效應。所以，對於暗能量的最大疑團並不是它為什麼能夠存在，而是為什麼它的密度如此之低。知道了它的主導地位，這看起來或許不再是個問題。儘管暗能量現在構成了宇宙能量密度的大多數，但也是在物質和能量被宇宙的膨脹極大稀釋之後，並且它也只是在最近才開始與其他類型的能量相競爭。在宇宙早期，相比較更大的輻射和物質的貢獻，暗能量的密度比重是極其微小的。在不知道測量結果的情況下，物理學家原本估計的暗能量密度比測量結果大120個數量級，這讓人很吃驚。宇宙常數如此之小的問題已經讓物理學家困惑了好多年。
暗能量
暗能量不是物質，它僅僅是能量。即使沒有真實的粒子或者其他形式的物質在周圍，暗能量也是存在的。它並不像普通物質結塊成團，它滲透於宇宙的各個角落。暗能量的密度在各個地方都是一樣的，而暗能量的分佈總是均勻的。
許多天文學家認為，我們現在生活在一個宇宙學復興的時代。在這個時代，理論與觀測已經推進到了這樣一個階段：精確校準的檢驗將能夠幫助我們確認哪個想法在宇宙中被實現了。然而，考慮到暗能量和暗物質的主導地位，以及為什麼有如此之多的普通物質能夠留存到現在的謎團，物理學家們也開玩笑說，我們居住在一個黑暗時代。
對於每一個宇宙研究者而言，也正是上面這些謎團讓這個時代更加激動人心。儘管科學家們在理解黑暗成分時已經取得了很大進展，但依舊有很多問題擺在我們面前，等待著我們去解決。對於像我這樣的研究人員來說，這種狀況再好不過了。
或許有人會說，那些研究黑暗成分的物理學家正在以一種更為抽像的方式參與一場哥白尼式的革命。不僅地球不是宇宙的中心，而且構成我們的物質也不是組成宇宙能量的核心，甚至對於絕大多數物質而言也不是。人們研究的第一個宇宙天體就是地球，它是人類最為熟悉的天體；物理學家也曾致力於研究構成我們自身的物質，因為對我們的生活來說，這是最易獲取、最明顯和最必要的。儘管探索地球上具有地理變化和挑戰性的地域並不容易，但是相比較更遠的對應天體（比如，太陽系的外邊緣區域或更遠），全面瞭解地球仍然是更方便、更容易的。
儘管區分出普通物質的最基本組成也非常困難，對它的研究卻比研究透明但不可見的暗物質要容易得多，即使暗物質存在於我們周圍。現在的情況正在發生改變。暗物質的研究變得前途無量，因為它能夠被傳統的粒子物理學解釋，並可以被目前正在運行的很多實驗探測器探測到。儘管相互作用非常弱，科學家未來10年應該有一個真正的機會，識別並且推斷出暗物質的本質。由於暗物質會聚集成星系和其他結構，接下來對於星系和宇宙的觀測將允許物理學家和天文學家通過更新的方式來測量它。而且，正如我們即將見證的，或許暗物質甚至可以解釋太陽系的一些特殊性，比如與小行星撞擊以及生命在地球上的演化進程相關的特性。暗物質在宇宙中並沒有被分隔開來（它是真實存在的），所以“進取號”飛船（Starship Enterprise）[2]不會把我們帶到那裡。或許，依靠目前已有的理論和技術，暗物質有望成為最後的科研前沿——至少是下一個非常令人振奮的科研前沿。