引言
1995年，天文学家宣布，他们研制出了灵敏的光谱仪，可以非常准确地测量恒星的速度。那时我猜想，几年内这些工具就可以用来发现太阳系外的行星：如果这些光谱仪在恒星速度中测到微小的周期摄动，那么恒星的周围可能有一颗大质量行星，其引力干扰了母恒星在空间中的运动。于是，我决定开始调研撰写一本关于搜寻系外行星的新书，并期望这一突破性发现会被写进这本书的最后一章。
那一年的10月，当米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）宣布他们发现了飞马座51b——第一颗被证实的围绕类日恒星运动的系外行星，我意识到我要抓紧时间了。1996年的大部分时间，我几乎没有做任何其他的工作。我的这本（荷兰语）著作[1]在1997年年初出版。这是最早报道第一轮系外行星发现的著作之一。
类似的事情在20年后又发生了。2015年年初，我开始为一本关于引力波的书做调研。引力波是宇宙结构的微小波动，由高能量事件引起，比如黑洞碰撞。早在百年前，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论就预言了引力波的存在，自那以后，科学家就在不懈地搜寻引力波。在我开始调研时，我就知道这些升级后的引力波探测器——美国的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）和意大利的室女座干涉仪（Virgo detector）的新版本——会在几个月内联机观测。看上去，过不了几年引力波就能被发现。
事实上，引力波的首次直接观测发生在2015年9月，并在第二年的2月公布于世。我再一次把手上的所有事情放在一边来尽快完成这本书。《时空的秘密》（Ripples in Spacetime）[2]于2017年夏天问世。
于是，当2018年年初我开始认真筹备一本关于暗物质的新书的时候，我半开玩笑地和我采访的天体物理学家和粒子物理学家说，我时刻准备见证这一领域的革命性发展。如果我所写的书是第一本报道这一期待已久的暗物质之谜的答案、第一本阐述这种构成宇宙平衡的神秘东西究竟是什么的书，岂不是很棒？
遗憾的是，革命性的进展并没有发生。让我来剧透一下：当你看到本书的最后一页时，你依然不会知道宇宙中的大部分物质是由什么构成的，而科学家也不例外。尽管历经数十年的猜想、搜寻、研究和模拟，但暗物质依然是现代科学中最令人费解的谜团之一。不过，虽然如此，读过本书后，你依然能学到很多关于我们所居住的这个奇妙宇宙的知识，以及天文学家和物理学家用了哪些方法来揭开它的神秘面纱。
暗物质挑战着我们的想象力。它就像看不见的胶水，将宇宙维系在一起，是它使得宇宙运转。如果没有它，星系会瓦解，星系团会消散，而太空在很早以前就该扩张到毁灭。暗物质是其中最重要的原料，但是我们直到最近几十年才发现这一点，而且没有人知晓它的本质。
不过，感谢数以百计为此献身的科学家的工作，我们至少知道了暗物质不是什么，它不是由暗淡矮星组成的海洋，也不是星系空间中无处不在的昏暗气体的面纱。暗物质不是黑洞群——至少不是天文学家正逐渐开始探索的“普通”类型。暗物质甚至不是由我们所熟知的原子和分子构成的。它是怪诞和奇异的化身。
但它塑造了我们所居住的宇宙。暗物质为宇宙结构的生长提供了脚手架。它使星系团、星系、恒星、行星还有人类的形成成为可能。但是，尽管有众多的学科和科学家参与了这一问题的研究，我们似乎还是无法真正地解决这个问题。虽然有一些迹象和主张，以及间接证据和单方面的想法，但是迄今为止，还未曾有一个令人信服的发现。我们还没有关于暗物质真正特质的线索。
寻找暗物质的故事可以追溯到20世纪30年代，但是这一谜团直到大约50年前才被广泛知晓——当时，天文学家开始好奇像银河系这样的旋涡星系的外侧为何有着超高的旋转速度。不久后，粒子物理学家也参与进来，因为人们渐渐发现如果不引入一种全新类型的物质，这一谜团是无法解决的。而且，由于其在宇宙演化中所扮演的关键性角色，这些新颖的暗物质也成为宇宙学（在最大的尺度上研究宇宙）中的热点问题。暗物质是真正的多学科领域的研究，天文观测者、理论学者、实验学者以及计算机建模人员都为此忙碌了几十年。
在这么长的时间里，有这么多人在研究这个问题，要在这样的一本书里对每个人都做到公正，是完全不可能的。毕竟，本书不是一本技术手册，也不欲成为这一领域的“编年史”。相反，本书提供了对暗物质研究中各种令人困惑的情况的概览。许多关键人物的个人故事让我们领略到科学家的聪明才智、坚忍不拔，甚至某些时候的顽固，他们把自己的职业生涯献给了解决大自然最大奥秘的过程。我将带着你一起去遥远的天文观测站和地下的实验室。我们将参与科学会议，与诺贝尔奖得主和博士后研究人员进行交流。遗憾的是，由于新冠大流行，我计划的旅行没能全部实现，其中很大一部分的采访不得不通过电话或者Zoom视频会议完成。
我们的旅行囊括与暗物质相关的广泛的话题。尽管你可以把这25章中的大部分章节当作独立的故事来读，但我还是把它们按照一定的顺序做了整理，使它们呈现出这个谜团的发展历程。作为铺垫，第1章介绍了物理学家詹姆斯·皮布尔斯，他被称为“冷暗物质（CDM）模型之父”，并且因其对理论宇宙学的贡献而成为2019年诺贝尔物理学奖的得主之一。接着，在第2章中对意大利格兰萨索地下实验室的访问让我们对研究暗物质之谜的实验方法有了初步了解。暗物质并不是计算机模拟和会议论文的专属领地。就在此时此刻，世界各地的几十位科学家正在对理论进行验证，希望能够解决这一难题。
在这些理论和实验的引入吊足你的胃口之后，第3章中我们会回到一个世纪前来了解我们对宇宙物质内容的理解出现问题的最初迹象。很久之后，在20世纪70年代，物理学家意识到，类似于银河系的星系不能在没有巨大的、近乎球形的暗物质晕的情况下维持稳定（第4章）。如第5章所述，像天文学家薇拉·鲁宾这样的先驱察觉到，星系的高自转率无法得到解释，除非它们包含远比我们肉眼所见要多的物质。
如今，一台全新的、正在建设中的望远镜即以鲁宾的名字命名。一旦落成，它将会成为地球上最强大的望远镜之一：一台科学家试图用来绘制星系在太空中的三维分布的仪器。这个项目是暗物质研究的一个重要方面，也是第6章的主题。接着，在第7章中，我们深入了解元素的起源，以此来查明为什么暗物质不能由普通的原子和分子组成。射电天文学对证明暗物质确实存在的决定性作用是第8章的主题。本书的第一部分到此结束，该部分主要侧重于天文研究。
第二部分的开篇两章讨论了在20世纪70年代后半期，越来越多的人相信这些神秘的东西必定是由相对缓慢运动（“冷”）的基本粒子组成的。这种粒子与超对称理论非常契合，该理论是人们渴望已久的“万物理论”的一个理想候选项。因此，暗物质也开始在粒子物理学中扮演重要角色。
第11章详细描述了宇宙大尺度结构演化的计算机模拟，这似乎支持了一种暗物质成分的候选体：弱相互作用大质量粒子，即WIMP。就在WIMP假设刚出现的时候，一些科学家开始质疑暗物质的真实性。他们的MOND理论将于第12章中进行讨论，这一理论声称我们对引力的理解需要修正，也许对暗物质的搜寻终究只是空中楼阁。
在第13章和第14章中，我们会与强有力的引力透镜观测技术邂逅。引力透镜是由大质量物体的引力所引起的微小的光线偏折。有科学家认为，引力透镜有潜力反驳MOND理论并帮助科学家找到另一种暗物质候选体——大质量致密晕天体（MACHO）。唉，寻找MACHO的工作几乎一无所获。反而有另一个谜团在20世纪90年代末显现了，那就是暗能量。科学家意识到，空旷的宇宙空间正在加速膨胀，这是暗能量的直接结果。这一发现以及它对宇宙的整体构成可能造成的影响是第15章和第16章的主题。
暗能量和冷暗物质理论已被整合到一个叫作ΛCDM的宇宙模型中，其中希腊字母Λ表示暗能量。对宇宙微波背景（有时被称为“创世余辉”）的研究为该模型提供了强有力的证据支持。此外，如第17章所述，遗迹辐射可以与当前的宇宙大尺度结构进行比较，用以提供宇宙演化的详细图景，毫无疑问，暗物质在其中发挥了作用。虽然我们不知道暗物质是什么，但我们已经意识到它是宇宙学的一个关键成分。
第三部分涉及目前和未来对暗物质的搜索，以及当今宇宙学家面临的一些挑战。在第18章和第19章中，你将会读到关于直接探测暗物质粒子的高科技实验，这些实验使用了安装在洞穴深处和隧道中的超灵敏仪器，在这里，干扰测量的宇宙射线被屏蔽掉了。令人惊讶的是，宇宙射线本身可能带有衰变的暗物质粒子的蛛丝马迹，这是第20章的主题。
第21章和第22章描述了最近在ΛCDM模型方面出现的一些令人担忧的问题。到目前为止，还没有人知道这些问题有多严重，但理论学家已经在探索一系列的替代想法和假设，其中一些将在第23章和第24章中介绍。最后一章对未来进行了展望，但我们不可能预测未来的哪些实验和观测会最终解开暗物质的百年之谜。希望不要再花100年的时间。
作为一名专门研究地球大气层外的一切的科学记者，相对于粒子物理学来说，我可能更关注天文学，尽管我试图平衡这两者。我也更注重过去的发展、成熟的想法和当前的实验，而不是新的猜想理论、未经证实的结果以及未来可能的实验。如果这些新奇的事物一直存在，那么你无疑会在未来的书中读到它们。
对暗物质的搜寻仍在继续。尽管它尚未完成，但它已经让我们对广泛的天文和物理现象有了更深入的理解：从快速旋转的星系、引力透镜和宇宙大尺度结构，到大爆炸中原子核的诞生以及“创世余辉”中的蛛丝马迹。这项搜寻还催生了其他有前途的理论，助长了对超对称及尚未发现的粒子“动物园居民”的猜测。在寻找宇宙主体成分的真实身份的同时，科学家已经解开了一些自然界最隐秘的秘密，并揭示了我们所处世界的惊人的复杂性。
[1]这本书的荷兰原书名为Tweeling aarde（《双子地球》）。——译者注
[2]该书的简体中文版为《时空的秘密》，于2018年8月由中信出版社出版，胡奂晨译。——编者注