我们如何研究暗物质？

但愿我们已经让你相信了暗物质的存在。肯定有某种东西在那里，使得恒星不会飞离星系，飞向空旷的太空，它弯曲了星系发出的光线，在宇宙碰撞中全身而退，就像慢镜头中的动作英雄头也不回地离开汽车爆炸现场。暗物质就是那么酷。

但是这里还有问题：暗物质是由什么构成的？对于宇宙的构成，我们只研究了最简单的5%。我们不能假装知道答案。我们无法忽视比例高达27%的暗物质。简单地说，我们还是不太清楚暗物质到底是什么。我们知道它存在、知道它的个头，也知道它的大概位置，但是我们不知道它是由什么类型的粒子构成的，我们甚至不知道它是否由粒子构成的。从一种不寻常的物质推测整个宇宙时，我们需要特别小心。要想发现真相，真正了解宇宙以及我们在宇宙中的位置，我们必须保持开放的心态。

为了取得进展，我们需要检验一些特定的想法，验证这些想法的推论，还要设计实验进行测试。暗物质说不定是跳着舞的紫色宇宙大象，它由一种不可探测的怪诞新粒子组成—你可以这样想，但这太难验证了，因此它在科学上不是首选项。

一种简单而具体的想法是，暗物质由一种新型粒子构成，它们以新的作用力极度微弱地与普通物质相互作用。人们为什么猜暗物质只包含一种新型的粒子？因为这样最简单，这样的想法适合优先得到检验。暗物质完全有可能由好几种粒子构成，就像普通物质一样。这些暗粒子可能有各种各样有趣的作用力，可能产生暗化学反应，也许还有暗生物过程、暗生命、暗火鸡（这是个恐怖的想法）。

这个候选粒子被大家称为WIMP（Weakly Interacting Massive Particle），意思是弱相互作用大质量粒子（也就是与常规物质发生微弱作用的某种有质量的东西）。我们猜测它通过一种新的力与我们这种类型的物质相互作用，这种作用非常非常小，差不多发生在中微子的级别上。有一阵子，人们还考虑了其他想法，比如，暗物质也许是由普通物质构成的巨大团块（有木星那么大）。人们称这种东西为MACHO（Massive Astrophysical Compact Halo Objects，大质量致密晕天体）。

我们怎么知道暗物质粒子通过引力之外的其他力与普通物质发生作用？我们其实不知道，但我们希望它们是这样的，因为那样它们就比较容易被探测到了。因此，在我们开始几乎不可能完成的实验之前，我们先试着做了一些非常困难的实验。

物理学家已经设计了一些探测假想暗物质粒子的实验。一个经典的策略就是将一个容器装满被压缩的低温惰性气体，容器四周全是探测器，一旦气体中的一个原子被暗物质撞上，探测器就会响起。迄今为止，这类实验还没有找到任何暗物质，但是相关设备在近期才变得够大、够灵敏，有希望探测到暗物质。

另外一个方法是用高能粒子对撞机来制造暗物质，让普通物质粒子（质子或电子）疯狂加速，然后让它们撞到一起。对撞本身就已经非常精彩了，而且还能探索宇宙中的新粒子。这是因为对撞能把一种物质转变成其他类别的物质。在对撞中，粒子并非通过内部的重新排列呈现新的形态，而是消灭了旧的物质，产生了新的物质。这很像亚原子层面上的炼金术（我们没有开玩笑）。这意味着，在某些条件下，你几乎可以制造任何可能存在的粒子，而且不用事先知道你在寻找什么。科学家正在研究这种碰撞，希望找到暗物质粒子产生的证据。

第三个方法是把望远镜对准我们认为暗物质高度集中的地方，其中离我们最近的是银河系的中心，那里似乎有很大一块暗物质。这里的思路是：两个暗物质粒子可能会随机碰撞并因此毁灭。如果暗物质能够通过某种方式与自身发生作用，那么暗物质粒子就能通过碰撞转变成普通物质的粒子，正如两个普通物质粒子能碰撞产生暗物质一样。如果这样的反应发生得足够频繁，那么由此产生的普通物质粒子就会满足特别的能量和位置分布。我们可以通过望远镜找出很可能是来自暗物质的碰撞。但是，要搞清楚这个，我们需要知道星系中心正在发生的很多事情，那是另一组谜团。