流星劃過天空時，會留一道軌跡；兩個黑洞合併時，會震蕩出漣漪。但有一種物質在宇宙中隱身了100多億年，甚至早於銀河系誕生的138億年前，它佔據著全部物質能量的85%，卻從來沒有被人類感知過，當我們逐漸意識到這個龐然大物，卻發現我們對其一無所知。它就是暗物質，被認為是繼哥白尼（Nicolaus Copernicus）的日心說、牛頓（Isaac Newton）的萬有引力定律、愛因斯坦（Albert Einstein）的相對論及量子力學之後，人類認識宇宙的又一次突破。

中國大陸首顆暗物質探測衛星「悟空」宣佈探測到暗物質，在過去一段時間裏引來社會各界密切關注，或許能如《西遊記》裏的齊天大聖一樣，用「火眼金睛」看穿暗物質的真相，洞察百億年來宇宙生命的發展走向。

以「重力透鏡」探測暗物質

如果「物質」是看得著、摸得到的東西，那「暗物質」顧名思義則正好相反，它是宇宙中捉摸不定的物質，看不到也無法觸碰感知。稱其為「暗」其實也不準確，通常情況下，我們認為某樣東西暗，是因為光被吸收了，但暗物質並不暗，它是透明的，暗的物質吸收光，而透明的物質則是「無視」光，光能擊中暗物質，但不會反射或吸收光，也不與光互相作用，兩者相遇也並不會有任何改變。因而暗物質最初的發現，可以說是意外之喜。

在1933 年，瑞士天文學家佛利茨．茲威基（Fritz Zwicky）觀察了后髮座星系團的星系速度，透過對恆星速度的測量，計算出了星系團的總質量，進而推測出星系團產生的引力。我們知道，在天體物理學中，星系團中的物質引力和所包含的恆星動能相當，所以星系團會是呈穩態的系統。但根據茲威基的測量結果，他發現，其應有的質量總量，竟是所測發光物質總量的400倍。這就意味宇宙中存在著一種額外物質，才能解釋這一結果，於是茲威基將其命名為「Dunkle Materie」，這是德語對暗物質的稱呼。無獨有偶，荷蘭天文學家歐特（Jan Oort）也在前一年得到了與茲威基相似的結論，他意識到，在臨近星系中，如果僅僅把星系的速度歸結於發光物質的話，恆星的速度不足以到達當下的速度，因此，歐特也推測，或許宇宙中存在一種不發光的普通物質。

儘管有了這些早期的觀測，但暗物質在相當長一段時間裏基本上是被忽略的。直到20世紀70年代，才又再次流行起來，天文學家對本銀河系的衛星星系（大、小麥哲倫星雲及其他的矮星系）的運動作了詳細觀測，他們發現，只有額外的看不見的物質存在時，才能解釋這些衛星星系的運動狀態。

在這一次「復興運動」裏，美國天文學家薇拉．魯賓（Vera Rubin）可稱得上是暗物質地位的鞏固者，她透過了仙女座星雲開始測量星系中恆星的軌道速度，發現恆星的旋轉速度在距離星系中心的任何距離上大致一致，甚至在包含發光物質的區域以外地方也一樣。對此唯一可能的解釋是，還存在著一些沒有考慮到的物質，正是因為它們的引力作用，控制著外圍遙遠恆星的運動，讓它們的運動比預期要快。如果沒有額外的物質，恆星的運動速度，將使其飛出銀河系外。

此後，關於暗物質存在的證據也變得越來越強大，尤其是重力透鏡效應下的愛因斯坦十字（Einstein Cross）和子彈星系團（Bullet Cluster ，1E 0657-558）的發現。當提到重力透鏡時，很多人便會聯想到愛因斯坦十字，後者是重力透鏡效應最著名的例證—當光經過重力場附近，光線會像通過透鏡一樣發生彎曲，當我們按照光沿直線傳播的理論（視路徑）尋找目標天體，則會發現四重影像，對稱分佈在真實路徑中目標天體的四周，與之形成一個十字形景象。這也就說明，儘管暗物質不可見，卻可以透過影像可見物體，而被探測到。

人類即將衝破「黑暗時代」?

從猜想到觀測證實，暗物質的面紗已「昭然若揭」，它充斥在宇宙空間裏的各個地方，佔比為整個宇宙95%的空間，甚至科學界已經透過微波背景輻射（Cosmos Microwave Background）精確測量出了暗物質在宇宙中的總質量，比起我們可見的、由原子構成的物質，暗物質的總質量是其5倍以上，且它的能量源可能一直在加速宇宙的膨脹。這一「重量級」的發現，無疑在20世紀末打破人類對宇宙的認知邊界。

但證得「存在」之後，科學界面臨的卻是一段更漫長而艱難的解謎之路—暗物質是由什麼構成的？它包含一類新型粒子嗎？如果包含，那麼其性質又是什麼？除了引力之外，暗物質還有任何其他相互作用嗎？它又將如何擾動宇宙的規律？從這些角度來看，人類可以說對暗物質是一無所知，甚至有物理學家開玩笑說「人類居住在一個黑暗時代」，而當下，「衝破黑暗」則逐漸成為世界性的探索課題。

本文來源：《多維TW》月刊026期