关于宇宙中我们不知道的一切
我们所看到的仅仅是一滴水，但我们看不到的是整片海洋。
—艾萨克·牛顿
有一天，我全神贯注地听我的数学家朋友爱德华多[ 爱德华多·塞恩兹·德·卡贝佐恩：数学家，西班牙拉里奥哈大学的编程课老师。
]在一群物理系学生面前谈论暗物质。他是个杰出的人，这不仅因为他是我所认识的最古怪、最有趣的人之一，还因为他勇气可嘉—看看，他居然敢对物理系学生说，他们之所以去学物理，是因为他们不敢学数学！
他半是认真，半是开玩笑，漫谈着暗物质的命名原因：“你们想象一下吧，许多年前，物理学家痴迷于难以预测的星系运动，但他们根本想不明白为什么会如此难以预测……我们该怎么办呢？一个焦虑的物理学家问道。我们总不能直接在论文里写我们自己也不清楚为什么会这样吧，不如就把这种看不见摸不着的东西称为暗物质吧？唔，提议不错，行吧……”当一个人仰望繁星点点的苍穹时，他往往会为宇宙的宏伟与浩瀚而折服。宇宙就像一片点缀着星星的巨大黑暗，我们目光所及的一切都是对过去的虚幻再现—我们所观察到的很多东西或许早已不存在了，消失了，我们看到的不过是它们在数千年前发出的光，而这些光要耽误一些时间，直到这一刻才到达我们眼中。科学中很少有这么浪漫的事情吧。
我们从宇宙中获得的所有信息都是以电磁辐射的形式存在的，这些电磁辐射是我们能用肉眼或技术所捕捉到的，如可见光、红外线、紫外线、无线电波和X射线等等，此外，引力波最近也被成功检测到了。但事实证明，正如不是所有金子都会发光一样，宇宙不仅仅是只会发光的东西，它的很大一部分都隐藏了起来，对我们来说像谜团一般，直到最近才被我们的眼睛和设备发现。
我指的便是暗物质。这是一种构成了27%的宇宙物质能量的物质，既不是暗能量—一种导致宇宙膨胀的反引力，也不是中微子。由于它并不发射任何类型的电磁辐射，如光，因此得名暗物质。由原子组成的传统物质，如构成我们身体的原子、构成我们星球的原子，或者你们正在读的这本书的原子，他们加起来还抵不上整个宇宙的5%。与宇宙中所存在的其他物质相比，我们可以说是绝对惊人的少数派，是如此的渺小卑微。
既然暗物质不发射任何东西，也不与电磁辐射相互作用，那么我们是怎么知道它的存在呢？尽管不能直接探测到暗物质，但科学家能够通过别的痕迹，如它所产生的引力作用，来寻找暗物质。人们对暗物质是如此的无知，以至于有人把它同旧地图上的“未知之地”进行比较。古人认为未知之地中生存着可怕的怪物，但宇宙中并没有像《哈利·波特与火焰杯》中那样的稀有怪物—哦，快让我去去晦气。
天文学家弗里茨·兹威基观察到后发座星系团中有异常运动的迹象，即其运动速度远超出理论预期，因而率先推断出其内部可能存在着一种暗物质。当时的科学界并没有重视他的观察结果，然而这么多年过去了，目前依旧没有任何理论能够解释这种异常现象。
1974年，美国天文学家维拉·鲁宾观测星系转速时，发现围绕星系外测旋转的恒星的运动速度远远超过万有引力定律的理论预期。理论上，离中心最近的恒星应该比离中心较远的恒星旋转得更快。例如：根据开普勒和牛顿定律，海王星绕太阳公转的速度要比水星更慢，然而鲁宾发现这些恒星都以相同的速度运动，位于星系外侧的恒星的运动速度并没有遵循所谓的“旋转曲线”，而是速度更快。
这样一来，便有两种可能：一是我们的万有引力定律出现了错误，我们必须对已经取得重大进展的物理学进行修正；二是宇宙中一定隐藏了某种不发光、我们无法看到的物质，它能够施加引力，改变恒星预期的旋转速度。也就是说，存在这样一种可能性，即这些星系不仅是我们看到的球状物或者发光的螺旋，而是被巨大的质量（甚至比星系总质量大9倍）包围，形成了一个我们无法看到的巨大光环。这种光环被称为“暗物质”，可以用来解释恒星的异常行为。随后，其他现象，如引力透镜、宇宙微波背景中的痕迹或某些星系的运动，都证实了暗物质的存在。暗物质的发现彻底改写了天文学的历史。
凡人亦英雄：1948年，维拉·鲁宾完成了艺术专业的本科学业（这也是当时女性常常被推荐的专业），准备申请进入普林斯顿大学的天文学专业攻读研究生，却因自己的女性身份而遭到拒绝，而该系一直到1975年才开放女性入学。于是，她便申请了康奈尔大学的物理学专业，并因此结识了20世纪最重要的物理学家，如理查德·费曼和汉斯·贝思。鲁宾的博士学位就读于乔治城大学，师从乔治·伽莫夫。在她的博士论文中，她指出星系在宇宙中的位置并不是随机的，而是分布于大的星系团之中。11年后，她离开了乔治城大学，成为华盛顿卡内基科学研究所的终身研究员，并在这里遇到了天文学家肯特·福特，向他解释了哈勃定律以及星系膨胀的偏差。正是研究仙女座星系外围恒星的运动时，她有了自己最伟大的发现—暗物质。
在接下来的几年中，除了继续探究暗物质之外，她还花了很大精力，希望让女性也有机会从事科学事业。不幸的是，她没能获得诺贝尔物理学奖。但是，至少第5726号小行星以鲁宾的名字命名—虽然这远不足以表彰她所做出的贡献。鲁宾的工作鼓舞并将继续激励着全世界成千上万的女性，维拉，我代表她们所有人，谢谢你。
尽管这种奇怪现象已经被命名为“暗物质”，但它的性质仍然是科学界最大的谜团之一。暗物质到底是什么？它又是由什么组成的？我们已经知道，暗物质不发光，不与电磁辐射相互作用，不以相对论速度运动，并且在时间的推移过程中相对稳定……即便如此，当我们着眼于“标准模型”，即目前对构成宇宙的粒子（夸克、电子等）的分类理论，我们会发现已知的宇宙中没有任何东西符合我们所寻求的特征。也有人猜想，暗物质可能是由那些我们已知的却不发光的物质组成的，如不发光的气体或者棕矮星，我们称之为“重子暗物质”（重子是一种由三个夸克组成的粒子）。
科学逸事：当我还在读小学时，就已经学过原子由电子、质子和中子构成。这是道尔顿的理论研究结果之一—我猜大家一定听说过道尔顿，因为我们经常谈论到“色盲”这个词。但从80年代起，一切都变了，就好像在基本粒子的聚会上，不断有新的、外来的客人加入进来，来阐释道尔顿所不能解释的物理现象。比如说，粒子可以根据自身质量而划分为三代，就像族谱一样，每一代都与上一代相同，但规模更大。第一代分别为电子、电中微子、上夸克和下夸克；第二代分别为μ子、μ中微子、奇异夸克和粲夸克；第三代，也就是最后一代，分别为涛子、τ中微子、底夸克和顶夸克。根据不同的划分，粒子的家族简直有《权力的游戏》中的家族那么多。例如：按照它们间的相互作用划分，可以将粒子分为轻子、介子、重子、引力子、强子和胶子等。可见，以前的划分是多么简单啊！现在这些烦琐的分类简直让我感觉像在看欧洲国家的首都一样。
然而，一切似乎都表明，这种暗物质与科学家认知中的普通物质截然不同。现在，世界各地的研究人员都在忙着设计实验来检测这种几乎不与任何物质相互作用的物质。比如说，我们假设大质量弱相互作用粒子（WIMP）只通过弱核力和引力产生相互作用，虽然目前这种粒子仍然停留在理论阶段，但是如果它们存在的话，数量应该会十分庞大，以至于产生我们能够观测到这种效应：每秒钟都会有10的23次方（也就是1后面跟着23个0）个WIMP穿过你的身体。此外，尽管并没有得到证实，但还有另一种可能性，那就是暗物质的组成是轴子，一种质量非常小的粒子，不带电荷，是一种稀有的光子(轴子和光子被认为可以相互转化)。毫无疑问，实验正在变得越来越精细，有些人认为：在未来10年，可能会找到真正能解决问题的实验方案。
就像暗物质的情况一样，许多物理学理论的诞生都是为了阐释已有理论无法解释的新现象，尽管直到许多年后，这些理论的正确性才能被证明。希格斯玻色子概念的提出便是这样，这是一个关于基本粒子的理论。早在1964年，彼得·希格斯便尝试用希格斯玻色子来研究物质拥有质量的根本原因，并且解释质量同加速度间的负相关—当物体的质量越大，就越难使它运动或者静止。多年来，希格斯玻色子的存在一直停留在理论层面，这位杰出的物理学家直至退休都没能见到自己的理论被证实。将近50年后，他以前的学生在希格斯家中将希格斯玻色子成功发现的消息告诉了他。他们喜极而泣的视频，可以说是我记忆中与科学有关的最感人的画面了。
希格斯玻色子构成了希格斯场。希格斯玻色子不具有自旋，不带电荷，也没有颜色，极其不稳定且分解得很快，半衰期大约是每秒1万亿次。它出现在大爆炸的万分之一秒后，在物质存在之前便已存在，并将继续存在于宇宙中。
2013年3月14日，在无数次的研究后，欧洲核子研究组织的大型强子对撞机ATLAS和CMS证实了希格斯的理论，这也让希格斯和弗朗索瓦·恩格勒一起获得了诺贝尔物理学奖。
1993年，诺贝尔奖得主利昂·马克斯·莱德曼和迪克·特里西合著了一本有趣的书，讲述了自古代以来基本粒子科学的历史，并给书起名为《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》。媒体被“上帝粒子”这个名字吸引住了，并且选择沿用这一绰号来称呼它，尽管希格斯玻色子本身并无任何神圣之处。希格斯本人很不喜欢这样的宗教化处理。后来，莱德曼试图道歉，他向媒体保证，这本畅销书的原名本来是《该死的粒子》，因为它真的很难被找到。
尽管我们不知道暗物质究竟是什么，但它在物理学中具有根本的重要性，在构建宇宙模型，研究星系的形成、演化和运动以及宇宙本身时都应考虑暗物质的存在。人们常说暗物质主宰着宇宙（因为确实如此），但它同时也是我们尚未理解的科学前沿之一。或许，我们永远无法发现一切，因为宇宙中总会有隐藏起来的一面。在同原力的斗争中，阿纳金·天行者（《星球大战》中的主角）几乎战无不胜，而在同科学的抗争中，科学家永不屈服，继续探索自然，揭开它最后的黑暗秘密。