暗物質看不見、摸不著，那研究它到底對我們普通人的生活有什么實際意義呢？| 物理問答室（4）

這是一個我在公眾演講時常被問到的問題：研究暗物質有什么意義？

答案很大程度上取決于提問者，而非研究者。如果“實際意義”被限定為“明天能不能省兩塊電費”或“暗物質能不能富國強兵”，那答案只能是——沒有。但若把“實際”放寬一點，把“夏朝是否存在”“人類古猿祖先是否來自非洲”“恐龍為何滅絕”“地球生命是否起源于海底火山”這類追問也視為“有用”，那么暗物質立刻就有了意義：它正是這一系列“起源故事”里的關鍵角色。

地球誕生于太陽系，是太陽形成后殘余物質凝聚而成；太陽又是銀河系千億恒星中的一員。恒星如何誕生？星系中的氣體云（主要成分為氫和氦）在自身引力作用下收縮，中心密度與溫度不斷升高，最終點燃核聚變，于是誕生一顆穩定燃燒的恒星。若只關心局部區域里某顆恒星的起源，我們只需追蹤那團氣體云的演化即可。但把視野放大到銀河系乃至宇宙大尺度結構的起源，就必須請出暗物質。

▲計算機中的宇宙物質分布，蛛網狀的暗物質結構上點綴著星系。Dark Matter in a Simulated UniverseIllustration Credit & Copyright: Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH https://apod.nasa.gov/apod/ap201025.html

首先，暗物質的總量是構成可見世界的原子物質的五倍以上。憑借壓倒性的質量優勢，暗物質必然主導宇宙大尺度結構的形成。把今天宇宙的三維物質分布畫出來，會看到暗物質結成一張蛛網：纖維（filament）尺度從幾十萬到幾百萬光年交錯延伸，構成宇宙骨架；星系如珍珠點綴在宇宙網上，在纖維結構的交接處，星系聚集形成星系團。

▲暗物質“溫度不同”，宇宙結構完全不一樣。如果宇宙是中微子構成的，只有很大的宇宙“纖維”和巨大的星系能夠在今天來得及形成。

暗物質對宇宙結構形成的主導不僅僅體現在總量上，還體現在它提供了結構形成的初始舞臺。宇宙早期溫度極高，原子處于電離狀態，光子與電子頻繁碰撞，整個原子世界仍然處于熱平衡狀態，普通物質被“熱”得寸步難行。

暗物質因不與光和電子相互作用，率先掙脫熱壓，提前在局域聚集出引力勢阱。待宇宙冷卻，原子物質終于可以凝結時，這些“暗物質暈”早已搭好舞臺，引導氣體匯聚、坍縮，點燃第一代恒星，最終組裝出星系。若沒有暗物質，原子物質的聚集將慢得多，像銀河系這般規模的星系或許至今無法形成。

更微妙的是，銀河系的誕生還取決于暗物質的“溫度”。今天主流觀點認為暗物質是“冷”的——粒子質量大、早期運動速度低，故稱冷暗物質（CDM）。在CDM宇宙里，最先形成的是小暗暈，再通過并合長成更大的暗暈；星系也從小變大，自然演化出銀河系這樣的系統。上世紀70年代，有人曾設想暗物質是輕而快的中微子，即“熱暗物質”（HDM）。HDM的熱運動足以在小尺度上抵抗引力，結構形成順序與CDM相反：先形成超大結構，再碎裂成小結構。計算機模擬很快顯示，在HDM宇宙里，銀河系級別的星系根本來不及在今天誕生，更遑論南半球夜空中明亮的麥哲倫云這類矮星系。可見，看不見、摸不著的暗物質，只要性質改動分毫，宇宙樣貌便會天差地別，甚至不會有你我坐在這里討論“意義”。

坦率地說，暗物質至今零應用：它進不了芯片，也熬不成雞湯。我們無法把它抓在手里，更沒法塞進電池或發動機。它不像石油或硅片那樣立刻轉化為生產力。據傳，法拉第研究電磁學時被問“電學有什么用”，他答：“將來你會征稅?！卑滴镔|研究者大概沒有底氣復制這句豪言。但當普通人愿意抬頭了解暗物質，他的目光便從腳下的六便士移向夜空的明月，乃至更宏大的宇宙。這種用理性拓展認知邊界的過程，正是“人成為人”的核心。