暗物质看不见、摸不着，那研究它到底对我们普通人的生活有什么实际意义呢？| 物理问答室（4）

这是一个我在公众演讲时常被问到的问题：研究暗物质有什么意义？

答案很大程度上取决于提问者，而非研究者。如果“实际意义”被限定为“明天能不能省两块电费”或“暗物质能不能富国强兵”，那答案只能是——没有。但若把“实际”放宽一点，把“夏朝是否存在”“人类古猿祖先是否来自非洲”“恐龙为何灭绝”“地球生命是否起源于海底火山”这类追问也视为“有用”，那么暗物质立刻就有了意义：它正是这一系列“起源故事”里的关键角色。

地球诞生于太阳系，是太阳形成后残余物质凝聚而成；太阳又是银河系千亿恒星中的一员。恒星如何诞生？星系中的气体云（主要成分为氢和氦）在自身引力作用下收缩，中心密度与温度不断升高，最终点燃核聚变，于是诞生一颗稳定燃烧的恒星。若只关心局部区域里某颗恒星的起源，我们只需追踪那团气体云的演化即可。但把视野放大到银河系乃至宇宙大尺度结构的起源，就必须请出暗物质。

▲计算机中的宇宙物质分布，蛛网状的暗物质结构上点缀着星系。Dark Matter in a Simulated UniverseIllustration Credit & Copyright: Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH https://apod.nasa.gov/apod/ap201025.html

首先，暗物质的总量是构成可见世界的原子物质的五倍以上。凭借压倒性的质量优势，暗物质必然主导宇宙大尺度结构的形成。把今天宇宙的三维物质分布画出来，会看到暗物质结成一张蛛网：纤维（filament）尺度从几十万到几百万光年交错延伸，构成宇宙骨架；星系如珍珠点缀在宇宙网上，在纤维结构的交接处，星系聚集形成星系团。

▲暗物质“温度不同”，宇宙结构完全不一样。如果宇宙是中微子构成的，只有很大的宇宙“纤维”和巨大的星系能够在今天来得及形成。

暗物质对宇宙结构形成的主导不仅仅体现在总量上，还体现在它提供了结构形成的初始舞台。宇宙早期温度极高，原子处于电离状态，光子与电子频繁碰撞，整个原子世界仍然处于热平衡状态，普通物质被“热”得寸步难行。

暗物质因不与光和电子相互作用，率先挣脱热压，提前在局域聚集出引力势阱。待宇宙冷却，原子物质终于可以凝结时，这些“暗物质晕”早已搭好舞台，引导气体汇聚、坍缩，点燃第一代恒星，最终组装出星系。若没有暗物质，原子物质的聚集将慢得多，像银河系这般规模的星系或许至今无法形成。

更微妙的是，银河系的诞生还取决于暗物质的“温度”。今天主流观点认为暗物质是“冷”的——粒子质量大、早期运动速度低，故称冷暗物质（CDM）。在CDM宇宙里，最先形成的是小暗晕，再通过并合长成更大的暗晕；星系也从小变大，自然演化出银河系这样的系统。上世纪70年代，有人曾设想暗物质是轻而快的中微子，即“热暗物质”（HDM）。HDM的热运动足以在小尺度上抵抗引力，结构形成顺序与CDM相反：先形成超大结构，再碎裂成小结构。计算机模拟很快显示，在HDM宇宙里，银河系级别的星系根本来不及在今天诞生，更遑论南半球夜空中明亮的麦哲伦云这类矮星系。可见，看不见、摸不着的暗物质，只要性质改动分毫，宇宙样貌便会天差地别，甚至不会有你我坐在这里讨论“意义”。

坦率地说，暗物质至今零应用：它进不了芯片，也熬不成鸡汤。我们无法把它抓在手里，更没法塞进电池或发动机。它不像石油或硅片那样立刻转化为生产力。据传，法拉第研究电磁学时被问“电学有什么用”，他答：“将来你会征税。”暗物质研究者大概没有底气复制这句豪言。但当普通人愿意抬头了解暗物质，他的目光便从脚下的六便士移向夜空的明月，乃至更宏大的宇宙。这种用理性拓展认知边界的过程，正是“人成为人”的核心。