物理學家和天文學家已經確定，宇宙中大部分物質是“暗物質”——我們從其引力效應推斷出它的存在，而不是透過電磁影響，就像我們在普通、熟悉的物質中發現的那樣。暗物質是物理學中最簡單的概念之一，但由於我們人類的視角，它仍然令人費解。我們每個人都有五種感官，所有這些感官都源於電磁相互作用。例如，視覺是基於我們對光的敏感性：特定頻率範圍內的電磁波。我們能看到我們熟悉的物質，是因為構成它的原子發射或吸收光。原子中電子和質子攜帶的電荷是我們能看到的原因。
然而，物質不一定由原子組成。它的大部分可以由完全不同的東西組成。物質是任何像正常物質一樣與引力相互作用的材料——例如，聚整合星系和星系團。
沒有理由認為物質必須總是由帶電粒子組成。但是，沒有電磁相互作用的物質對我們的眼睛是不可見的。所謂的暗物質不帶（或尚未探測到極少）電磁電荷。沒有人用自己的眼睛，甚至用靈敏的光學儀器直接看到它。然而，我們相信它存在於那裡，因為它的多重引力影響。這些影響包括暗物質對我們星系中恆星的影響（這些恆星的旋轉速度太快，以至於普通物質的引力無法控制），以及星系團中星系的運動（同樣，速度太快，無法僅由我們看到的物質來解釋）；它在大爆炸時期遺留下來的宇宙微波背景輻射上的印記；它對超新星膨脹中可見物質軌跡的影響；被稱為引力透鏡的光線彎曲；以及在星系團合併中可見物質和不可見物質分離的觀測結果。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
然而，也許暗物質存在的最重要跡象是我們自身的存在。儘管暗物質是不可見的，但它對我們宇宙的演化以及恆星、行星甚至生命的出現至關重要。這是因為暗物質攜帶的質量是普通物質的五倍，而且不直接與光相互作用。這兩個特性對於諸如星系之類的結構的形成至關重要——在（相對較短的）我們已知是典型星系壽命的時間跨度內——特別是對於形成像銀河系這樣大小的星系。如果沒有暗物質，輻射會阻止銀河結構的團塊化過長時間，本質上會將其抹去，並保持宇宙的平滑和均勻。自大爆炸以來，對我們的太陽系和我們的生命至關重要的星系之所以形成，僅僅是因為暗物質的存在。
有些人第一次聽到暗物質時，感到沮喪。我們看不到的東西怎麼可能存在？至少從哥白尼革命以來，人類應該準備承認自己在宇宙構成中並非處於中心地位。然而，每次人們在新的背景下了解它時，許多人都會感到困惑或驚訝。沒有理由認為我們看到的物質應該是唯一存在的物質型別。暗物質的存在可能是預期的，並且與我們所知道的一切相符。
也許一些困惑在於名稱。暗物質實際上應該被稱為透明物質，因為像所有透明的東西一樣，光只是穿過它。然而，它的本質遠非透明。物理學家和天文學家希望在更基本的層面上理解暗物質到底是什麼。它是由一種新型的基本粒子組成的，還是由一些不可見的緻密物體組成的，例如黑洞？如果它是一種粒子，除了引力之外，它是否與熟悉的物質有任何（儘管非常微弱的）相互作用？該粒子是否與自身有任何我們感官無法察覺的相互作用？是否有多於一種這樣的粒子？這些粒子中是否有任何粒子有任何形式的相互作用？
我的理論同事和我已經考慮了一些有趣的可能。然而，最終，我們只有在進一步觀測的幫助下才能瞭解暗物質的真正本質，以指導我們。這些觀測可能包括更詳細地測量暗物質的引力影響。或者——如果我們非常幸運，並且暗物質確實與我們迄今未能觀察到的普通物質有一些微小的、非引力相互作用——大型地下探測器、太空衛星或位於日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機未來可能會探測到暗物質粒子。即使沒有與普通物質的這種相互作用，暗物質的自相互作用也可能產生可觀察到的後果。例如，如果暗物質與自身的相互作用重新排列了星系中心的物質，那麼小尺度星系的內部結構將有所不同。類似於銀河系的緻密或其他結構，例如我們在仰望夜空時看到的明亮氣體雲和恆星，可能表明存在一種或多種與彼此相互作用的不同種類的暗物質粒子。或者，假設的與磁場相互作用的軸子粒子可能會在實驗室或太空中被探測到。
對於理論家、觀察者或實驗學家來說，暗物質是一個很有前景的研究目標。我們知道它存在，但我們還不知道它在基本層面上是什麼。我們不知道的原因現在可能很明顯：它只是沒有足夠的相互作用來告訴我們，至少到目前為止是這樣。作為人類，如果普通物質基本上對暗物質的存在一無所知，我們只能做這麼多。但是，如果暗物質具有一些更有趣的特性，研究人員準備好找到它們——並且，在此過程中，幫助我們更完整地解決這個奇妙的謎團。
本文是特別報道《科學中最大的問題》的一部分，由卡夫利獎贊助。它由《大眾科學》和《自然》雜誌編輯獨立製作，他們對所有編輯內容負全部責任。