宇宙暗物质是什么？
“谁都不知道哪个实验最终能解决它，”纽约大学的物理教授尼尔·魏纳（NealWeiner）说，“而且如果你不去思考如何正确地做实验，就找不到它。它不会就那么撞到你脸上，不然它的名字就不叫‘暗物质’了。”
天文学家第一次使用“暗物质”这个词是20世纪30年代，如今差不多一个世纪过去了，这种难以捉摸的物质依然没有得到解释。物理学家可以测量出星系及其他天体被暗物质影响后的运动，但是暗物质的组成依然是个谜。
为了解决这个难题，物理学家已经想出了很多种可能性，包括对应的探测方法。其中有一些是在尝试解决其他物理问题时产生的，另外一些则来自于对暗物质的专门研究。
“谁都不知道哪个实验最终能解决它，”纽约大学的物理教授尼尔·魏纳（NealWeiner）说，“而且如果你不去思考如何正确地做实验，就找不到它。它不会就那么撞到你脸上，不然它的名字就不叫‘暗物质’了。”
ArtworkbySandboxStudio,Chicago
弱相互作用大质量粒子
大质量相互作用粒子的质量可能是质子质量的1至1000倍，而且它们之间只存在弱相互作用（与放射性衰变有关的一种力）。
如果把暗物质比作娱乐明星，那弱相互作用大质量粒子就是碧昂丝（Beyoncé，美国著名歌手）。“弱相互作用大质量粒子是很有希望的暗物质候选者。”加利福尼亚大学欧文分校物理与天文系的教授马诺·凯普林赫（ManojKaplinghat）说。
但最近新的实验数据却使人们对它们的存在产生了怀疑。虽然科学家在太空和地球（包括大型强子对撞机）做了各种实验来寻找它们，但弱相互作用大质量粒子至今仍未露面，进一步缩小了我们对它们的质量、相互作用强度及其他性质的可搜寻区间。
如果弱相互作用大质量粒子终究没有出现，我们就只能期待新的解决方案出现来解决暗物质之谜——同时把它从候选名单上排除出去。
“如果我们找不到它，就意味着统治物理学界很久的一个章节结束了。”普林斯顿大学的理论粒子物理学家马里昂吉拉·丽桑提（MariangelaLisanti）说。
惰性中微子
中微子是几乎没有质量的粒子，它可以在不同类型之间转变，穿过整个行星而不撞到任何东西。中微子已经够古怪了，但它们还有更古怪的对应粒子——惰性中微子。
这种难以捉摸的粒子对周围的环境如此无动于衷，以至于要想等到这样一个粒子与其他物质发生相互作用，需要花费与整个宇宙年龄长度相当的时间。
如果惰性中微子就是暗物质的成分，那么这种惰性对于想要探测它们的物理学家简直就是难上加难。不过探测到它们的可能性依然存在：它们可能会衰变成容易探测的粒子——光子。
“光子是我们非常擅长探测的粒子。”加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的物理学教授迪斯蒂法诺·普罗富莫（StefanoProfumo）说。
去年，物理学家利用空间望远镜发现了一个稳定的信号，其能量与理论预言的来自星系团中心的惰性中微子流相符。但是信号或许也有其他的源头，比如钾离子（普罗富莫在一篇标题略带挑衅性的文章《暗物质探索陷入疯狂》中提出了这个观点）。一个新的日本望远镜ASTRO-H有更高的能量分辨率，或许可以结束这场争论。
中性微子
弱相互作用大质量粒子中最有希望的中性微子（neutralino），出自超对称理论。超对称假设每种已知的粒子都存在对应的“超”粒子，以此填补标准模型中的漏洞，但这些粒子都极难观测。
其中一些，比如光子和Z玻色子的对应粒子，拥有类似暗物质的性质。暗物质或许是这些超对称粒子的混合物，而最容易观测的就是中性微子。
发现中性微子将能解决两个重大的物理难题：可以告诉我们暗物质的组成，以及证明超对称的存在。但同时也留下另一个难题：为什么其他的超对称粒子没有出现呢？
“如果暗物质就是中性微子，就说明有一个崭新的世界等着我们去探索，”丽桑提说，“这打开了一扇大门，通向奇妙、激动人心的世界。”
非对称暗物质
在宇宙形成之初，正物质与反物质猛烈地碰撞，每次碰撞都伴随着湮灭，直到最后只剩下了正物质。但粒子物理的标准模型没能解释这一现象，根据标准模型，应当是相同数量的反物质与正物质不断湮灭，最后只剩下空荡荡的宇宙。
显然，实际情况并不是这样，而物理学家至今还没搞清楚原因。同样的原理或许也适用于暗物质：在一个标准的中性微子理论中，反暗物质被它们的对应物暗物质彻底消除，只剩下我们今天看到的暗物质。发现非对称暗物质不仅可以回答暗物质是什么，也能回答为什么我们今天可以在这寻找它。
轴子
搜寻弱相互作用大质量粒子正面对挑战，与此同时，另一种名为“轴子”（axion）的粒子正让科学家兴奋起来。
轴子并不是新提出的粒子。20世纪80年代早期，就在海伦·奎因（HelenQuinn）和罗伯托·皮塞（RobertoPeccei）发表了一篇里程碑式的论文解决了一个关于强相互作用的问题之后不久，物理学家第一次设想了它的存在。几十年来，它一直被当作有希望的暗物质候选者，但实验人员直到现在依然没有发现它们的踪影。
“我们最近的实验进展到了能够探测轴子最有趣的参数空间的阶段。”卡弗里粒子天体物理和宇宙学研究所（由斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室联合建立）的教授里萨·韦克斯勒（RisaWechsler）说。
华盛顿大学的轴子暗物质实验（ADMX）试图使用强磁场把轴子转化为能够探测的光子来探测它们的存在。与此同时，理论物理学家已经开始设想新的轴子类别，以及探测它们的新奇方法。
“轴子理论正在复兴，或许实验会带给人们更多振奋的消息。”加利福尼亚大学欧文分校的理论物理学家乔纳森·冯（JonathanFeng）说。
镜像世界中的暗物质
正如爱丽丝镜子里的奇异物品和生物一样，或许也存在一个完全孤立的世界，拥有不同于我们世界的基本粒子，而暗物质就在其中。这些“暗质子”“暗中子”除了通过引力几乎不与我们发生相互作用，所以几乎毫无痕迹。“我们知道暗物质存在的唯一途径就是通过引力，”冯说，“这让它们看起来十分优美。”
虽然它很美，但是理论物理学家对于探测到它们几乎不抱希望。不过有一些线索表明暗物质光子或许能转变为正常的光子，就像是中微子在不同的味之间振荡，这激发了一些研究来理解和探索这些神秘的粒子。
额外维度的暗物质
如果暗物质不是完全存在于另一个世界，它或许就在实验没有探测到的第四维度中。这样的维度对我们来说过于微小，使得研究人员很难探测到其中的粒子运动。不过根据20世纪20年代特奥多尔·卡鲁扎（TheodorKaluza）和奥斯卡·克莱因（OskarKlein）提出的观点，我们会看到电荷相同、质量不同的多种粒子，而最近的一种观点认为，其中的一种粒子可能就是暗物质粒子，称为“卡鲁扎-克莱因”暗物质。它们不会发出或反射光线，这就解释了为什么我们三维世界看不到它们。
如果能够确认它们的存在，这也将被视为对弦论（需要额外维度存在才能成立的理论）的支持。
“你可以探索额外维度世界并绘制地图，就像500年前人们绘制出新大陆的地图一样。”冯说。
强相互作用大质量粒子
虽然物理学家从来没有探测到暗物质，但他们通过观察星系可以清楚地知道有多少暗物质存在。然而，对于星系内部区域的观察并不符合对暗物质的模拟计算，这仍是困扰物理学家和天文学家的谜题。
往常的模拟一般假设暗物质不与自身发生相互作用，但我们没有理由相信现实必须是这样。这一想法导致了“强相互作用大质量粒子”这一概念的诞生——于是暗物质候选者大家庭又增添了一员。冯说，包含弱相互作用大质量粒子的模拟似乎消除了其他模拟的偏差，但是相较于惰性中微子，它还能解释星系团中的奇异光子信号。
复合暗物质
暗物质或许不是这些候选者中的任何一个——也或许包含不止一个。
“没有证据表明暗物质仅由一种粒子构成，”凯普林赫说，“我们只是为了简洁才这样假设。”
毕竟普通的物质就是由多种多样的粒子构成，每种粒子都有独特的性质和行为，而且相互之间有无数的组合方法。为什么暗物质不能这样呢？
暗物质也可以有自己的夸克和胶子，它们之间发生相互作用构成暗物质重子以及其他粒子。所以也有可能存在由多种粒子构成的暗物质原子。
不管哪种情况，暗物质问题很可能会需要几十年才能解决，研究它可以促使物理学家更深入地探索宇宙，解决旧的难题，同时也会发现新的秘密。
无暗物质宇宙模型突破最大障碍
旋涡星系的自转速度快于理论预测。有两种解释，一种是存在我们看不见的暗物质；另一种是引力理论本身出了问题
两个多月前，我们曾在《暗物质会和以太一样，根本不存在吗？》一文中介绍过MOND理论。近日，新版相对论MOND模型在《物理评论快报》上正式发表。这种完全无需暗物质的宇宙模型在被科学家忽视了30多年后，重回人们的视野。同时，对弱相互作用大质量粒子的搜寻也以逼近极限，物理学家又开始寻轴子等暗物质候选粒子，但仍没人找到暗物质。暗物质真的存在吗？前沿科学是否已经走了几十年弯路？
在天文学家没有仔细研究星系的旋转速度之前，一切好像还能糊弄过去。但随着上世纪60年代末美国天文学家薇拉·鲁宾（VeraRubin）仔细测量了旋涡星系M31的旋转速度，理论计算和实际观测之间的差异就再也藏不住了，星系外侧的旋转速度绝对比牛顿引力预言的更快。（在这个尺度上广义相对论等同于牛顿引力）经过10年数据积累，她在1980年发表的一篇论文中总结了这一现象，并推断：要么是存在我们看不见的物质产生了额外的引力；要么是牛顿引力出了问题。
传统理论预测的（A）与观测到的（B）典型旋涡星系自转曲线对比，横轴为距离星系中心的距离（图片来源：Wikipedia）
暗物质（darkmatter）和修改的牛顿动力学（ModifiedNewtonianDynamics，MOND理论）分别是这两个推论的延伸。暗物质假说认为宇宙中我们看不见的暗物质，它逐渐走向了主流。当今宇宙学最常用的模型就是ΛCDM模型，全称为Λ-冷暗物质模型（LambdaColdDarkMatterModel）。当代宇宙学家曾在课程中学到的，主要就是这种模型。而以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（MordehaiMilgrom）则注意到，只有在引力加速度低于10-10m/s2时才会出现自转速度异常，他认为在这一条件下，牛顿引力不再适用，于是提出了MOND理论。但就算1988年他用自己的理论解释了星系旋转曲线问题，MOND理论至今仍门庭奚落。
不含暗物质星系的模拟（左）和含有暗物质星系的模拟（右）（视频来源：Wikipedia）
但近日在《物理评论快报》上发表的一篇论文可能会改变现状。在这篇论文中，两位捷克理论物理学家康斯坦丁斯·斯科迪斯（ConstantinosSkordis）和汤姆·兹沃什尼克（TomZłośnik）开发了一种新的相对论版MOND模型。越来越多的科学家也注意到了他们的成果，或许我们的宇宙根本不需要暗物质。
被忽视的30年
MOND理论被长久忽视是有原因的，最重要的原因是，它无法解释宇宙微波背景（CMB）。
宇宙微波背景辐射（图片来源：NASA）
宇宙微波背景辐射是现代天文学最重要的发现之一，它也是宇宙大爆炸假说最重要的证据之一。瑞士宇宙学家鲁思·杜尔（RuthDurrer）曾说：“一个理论必须和（CMB的）数据相符。这就是它（MOND）的瓶颈。”ΛCDM模型能很好地利用CMB的数据，“宇宙中重子物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%”这种科学爱好者耳熟能详的结论，就是用ΛCDM模型计算CMB的数据得出的。相反，MOND理论则一直对CMB的数据束手无策，它无法重现CMB的数据。
除此之外，MOND理论还有一些细节问题，比如它难以解释一些星系中的引力透镜问题。根据广义相对论，大质量物质的引力可以偏折光线，大量物质聚集的地方可以形成引力透镜。但是在以子弹星系为首的一系列星系中，天文学家找不到一些引力透镜对应的质量，只能用不可见的暗物质解释。不过2004年，曾有人提出过一种相对论版MOND理论，该模型可以解释这种“凭空”出现的引力透镜。但是它仍然没能克服那个最关键的问题：解释CMB的数据。
蓝色部分是由引力透镜计算得出的暗物质分布（图片来源：NASA/CXC/M.Weiss）
就连本次论文作者斯科迪斯也承认：“如果这个理论不能做到这一点（重现CMB数据），那就根本不值得进一步考虑。”而近日在《物理评论快报》上发表的新版MOND模型，其最大的意义就是用类似MOND的理论解释了CMB。
补全的理论
新版MOND理论假设有两个场弥漫在整个宇宙中，它们的共同作用导致了额外的引力。其中一个场是像希格斯场一样的标量场；另一个则是磁场一样的矢量场，空间中每一点都具有特定的方向。
斯科迪斯和兹沃什尼克设置了理论的参数，让宇宙早期的引力修正场能产生与暗物质类似的效应，这样就能保证今天观测到的CMB数据能被重现。这两个场会随着宇宙时间的推移而演化，最终引力会变成原本MOND理论描述的那样。
美国宇宙学家斯泰西·麦高（StacyMcGaugh）说：“这是一项革命性的成果，过去几十年来，因为MOND理论无法实现斯科迪斯和兹沃什尼克今天做到的事，人们很大程度上都忽略了这种理论。”
一旦新版MOND模型解决了CMB的问题，它的优势立马就凸显出来。美国天文学家布伦特·塔利（BrentTully）和理查德·费希尔（RichardFisher）在1977年发表的一篇论文中，提出了一个经验公式，描述了旋涡星系的光度与旋转曲线外侧速度之间的关系。很容易就能从这个公式得出“旋涡星系所含重子物质和它在较远距离上的自转速度的4次方成正比”这一关系，这被称为重子塔利-费希尔关系（baryonicTully-Fisherrelation，BTFR）。而MOND理论恰巧就能精确导出BTFR。
塔利-费希尔关系，与重子塔利-费希尔关系类似（图片来源：Wikipedia）
暗物质则完全无法预测这种关系。如果想在ΛCDM模型的框架内重现BTFR，天文学家必须从宇宙早期开始模拟星系，模拟中的星系在经过一百多亿年的演化后，或许能重现BTFR。但如果想严格重现BTFR，还要在模拟中加入非常严格的限制，并对旋涡星系的演化机制进行不那么严谨的修改。直到现在，坚持ΛCDM模型的宇宙学家还没能通过模拟完美重现BTFR。
缺席的暗物质
在类似MOND的理论重回人们的视野之前，暗物质已经在宇宙学领域充当了30多年的主角。美国宇宙学家戴维·斯佩奇（DavidSperge）表示新的MOND模型太过复杂，认为新的相对论的MOND模型只有当“暗物质假说的形式非常复杂时”才值得考虑。学界对ΛCDM模型充满信心，2014年版的《粒子物理学评论》中写道：“（宇宙学的）统一模型已经建立起来了，似乎没剩下多少空间能对这个范式进行大幅度的修改。”这一“flag”满满的言论很容易让人想到一个多世纪前的“两片乌云”。这一次，类似的情况会再次上演吗？或者说，物理学家是否已经走了30多年弯路？
科学家一直都在寻找暗物质，其中最有希望的候选体是大质量弱相互作用粒子（weaklyinteractingmassiveparticles，WIMP）。这种粒子只能通过弱相互作用和引力与其他物质产生作用，质量可能在质子质量的1倍到1万倍之间，常规观测手段无法发现这种粒子。
但几十年来的暗物质探测，不过是一遍又一遍刷新暗物质可能存在的下限。今年7月初，在马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上，中国锦屏地下实验室PandaX实验（“熊猫”实验）公布了PandaX-4T实验的首个暗物质搜寻结果，人类又一次没能找到暗物质。反而，基于PandaX-4T试运行95天的数据，暗物质反应截面的上限又被降低了，这意味着理论中存在的WIMP更难被发现了。这仿佛嘲笑着物理学家：“想发现WIMP？你们人类的精度还不够。”
PandaX-4T刷新了暗物质反应截面的上限（图片来源：中科大新闻网）
对WIMP的搜寻已经逼近极限了，对它的搜寻已经抵达了一个关键节点。不久之后，现有的大多数暗物质实验将会寻遍WIMP理论上可能存在的质量范围。如果到那时还没有发现，要么是现有的探测手段根本无法发现WIMP，要么暗物质根本不是WIMP……要么，暗物质根本就不存在。
一些现在还在坚持暗物质的宇宙学家，已经渐渐转向WIMP之外的粒子了。其中一个有力竞争者名为轴子（axion），这种粒子比WIMP轻得多。科学家认为中子星炽热的核心能产生轴子，当轴子到达中子星表面时，就会转变为X射线光子，但目前科学家还没有观测证据。今年初在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，科学家认为可以用这一效应解释中子星较高的X射线辐射。但是，他们目前的数据精度还不够，他们打算用美国宇航局的核分光望远镜阵（NuSTAR）进一步观测。同时，欧洲核子研究中心（CERN）科学家也将10米长的CERN轴子太阳望远镜（CAST）对准太阳，试图从那里发现轴子的痕迹。
核分光望远镜阵（图片来源：NASA/JPL-Caltech）
除此之外，还有科学家认为暗物质可能是复合粒子，“暗夸克”和“暗胶子”能像夸克和胶子那样结合在一起，形成“暗原子核”。还有人认为暗物质根本不是粒子，也可能是宇宙大爆炸不久后产生的原初黑洞。
不停推进的实验却在持续削减着暗物质可能存在的空间。英国伦敦玛丽皇后大学替代引力模型专家特莎·贝克（TessaBaker）表示，如果暗物质探测器继续一无所获，“我们就可能看到大家对这类修正引力模型越来越感兴趣。”而另一边，斯科迪斯和兹沃什尼克则表示，他们可以对星系团和引力波的进一步观测来检验他们的最新模型。
不论如何，类似MOND的理论和暗物质理论，这两种解释宇宙本质的理论中，最多只有一个可能是正确的。在前者突破了最大瓶颈的同时，最富希望的暗物质候选体却逐渐成为明日黄花，有的科学家甚至转向了别的候选体，暗物质越来越像一个多世纪前假设中光传播的介质“以太”。如果它真的像以太一样不存在，类似MOND的理论又能否像“相对论”一样颠覆我们对宇宙的认知？让我们拭目以待。
让基础物理学的暴风雨来得更猛烈些吧。