序言

“暗物质”这个词代表了宇宙中的大多数物质——它比普通物质（如构成恒星和行星的原子）要多5倍。但是，正如其名，暗物质是看不到的。我们只能间接地通过它对可见物质的引力作用来推断它的存在。如此，暗物质“封装”了我们的无知。

和大多数谜团一样，暗物质这个谜团困扰了人们很久。它已经让科学家为之吸引和困惑了100年之久。观测和科学理论表明，暗物质可能由任意数量的假想成分组成：弱相互作用大质量粒子、被称作“轴子”的新粒子，甚至不与物质或光相互作用的原子。如今，科学界的共识是暗物质来自宇宙起源时的“热汤”：一个由最初随机运动的、很小的、不可见粒子组成的海洋。尽管科学家未曾探测到这些不可见粒子中的任何一种，但他们观测到了波动的痕迹。如今，这些暗物质的涨落在宇宙背景辐射（从大爆炸遗留下来的辐射）微小的亮度变化中很明显。

开尔文勋爵首次对我们如今认为的暗物质提出了动态估计。在1884年的一次演讲中，开尔文从理论上发现银河系中可能存在暗体。随后科学界涌现了许多想法，大约50年后，瑞士留美天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）估算出星系团中的质量比视觉上观测到的要多。20世纪70年代，不可见粒子的证据在薇拉·鲁宾（Vera Rubin）、肯特·福特（Kent Ford）和肯尼斯·弗里曼（Kenneth Freeman）的开拓性工作中被揭示。他们发现，气体和恒星在星系中的动力学表明，有看不见的质量存在于一个晕中，这个晕远远超出了普通物质所集中的内部区域的范围。而在1983年，莫尔德艾·米尔格龙（Mordehai Milgrom）提出了一个修正牛顿动力学（MOND）理论来解释质量缺失问题。在这个引力替代假说里，米尔格龙假设牛顿定律不适用于星系。

和大多数的科学探索一样，暗物质历来的理论有人支持，也有人反对。而米尔格龙对低加速度情况下动力学改正的简单阐释，非常好地解释了大多数星系晕近乎平坦的旋转曲线，甚至经受了40年的考验而屹立不倒。但是，这个理论不能很好地解释兹威基观察到的星系团的性质。另一种可能性是，暗物质具有很强的自相互作用并且避开了星系的核心区。关于暗物质的种种猜想还在继续。

在本书中，霍弗特·席林带领我们走上了关于暗物质的迷人之旅，从早期讲到今日，包括暗物质理论以及一次次的探测尝试。我们将跟随他探访地球上和太空中的天文观测站，探访地下洞穴和隧道中的粒子探测器。在我们的环球之旅中，我们将会见到许多科学家，他们是这次探索之旅的主角，在他们的职业生涯中致力于寻找解开谜团的办法。他们的阵容范围广泛：有像吉姆·皮布尔斯（Jim Peebles）[1]和杰里·欧斯垂克（Jerry Ostriker）[2]这样的暗物质研究领域中的杰出人物，也有青年科学家、暗物质的坚定信徒、怀疑论者及异端者。通过他们的故事，我们将会对科学中最深奥的谜团之一的过去、现在和未来有一个非凡的看法。

正如本书所展示的那样，寻找暗物质的工作还在进行中。因此，书中包含了各种各样的科学解释。但是总有一天，拼图的所有部分都将归位。正是有了席林的星际引导，我们得以加入顶尖科学家的行列，一路为了理解这种未知的引力物质而努力，也一路为我们宇宙的奥秘而欣喜。

阿维·勒布（Avi Loeb）

[1]全名为菲利普·詹姆斯·埃德温·皮布尔斯。——编者注

[2]全名为耶利米·欧斯垂克。——编者注