這是一個我在公眾演講時常被問到的問題：研究暗物質(zhì)有什么意義？

答案很大程度上取決于提問者，而非研究者。如果“實際意義”被限定為“明天能不能省兩塊電費”或“暗物質(zhì)能不能富國強兵”，那答案只能是——沒有。但若把“實際”放寬一點，把“夏朝是否存在”“人類古猿祖先是否來自非洲”“恐龍為何滅絕”“地球生命是否起源于海底火山”這類追問也視為“有用”，那么暗物質(zhì)立刻就有了意義：它正是這一系列“起源故事”里的關(guān)鍵角色。

地球誕生于太陽系，是太陽形成后殘余物質(zhì)凝聚而成；太陽又是銀河系千億恒星中的一員。恒星如何誕生？星系中的氣體云（主要成分為氫和氦）在自身引力作用下收縮，中心密度與溫度不斷升高，最終點燃核聚變，于是誕生一顆穩(wěn)定燃燒的恒星。若只關(guān)心局部區(qū)域里某顆恒星的起源，我們只需追蹤那團氣體云的演化即可。但把視野放大到銀河系乃至宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源，就必須請出暗物質(zhì)。

▲計算機中的宇宙物質(zhì)分布，蛛網(wǎng)狀的暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)上點綴著星系。Dark Matter in a Simulated UniverseIllustration Credit & Copyright: Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH https://apod.nasa.gov/apod/ap201025.html

首先，暗物質(zhì)的總量是構(gòu)成可見世界的原子物質(zhì)的五倍以上。憑借壓倒性的質(zhì)量優(yōu)勢，暗物質(zhì)必然主導(dǎo)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成。把今天宇宙的三維物質(zhì)分布畫出來，會看到暗物質(zhì)結(jié)成一張蛛網(wǎng)：纖維（filament）尺度從幾十萬到幾百萬光年交錯延伸，構(gòu)成宇宙骨架；星系如珍珠點綴在宇宙網(wǎng)上，在纖維結(jié)構(gòu)的交接處，星系聚集形成星系團。

▲暗物質(zhì)“溫度不同”，宇宙結(jié)構(gòu)完全不一樣。如果宇宙是中微子構(gòu)成的，只有很大的宇宙“纖維”和巨大的星系能夠在今天來得及形成。

暗物質(zhì)對宇宙結(jié)構(gòu)形成的主導(dǎo)不僅僅體現(xiàn)在總量上，還體現(xiàn)在它提供了結(jié)構(gòu)形成的初始舞臺。宇宙早期溫度極高，原子處于電離狀態(tài)，光子與電子頻繁碰撞，整個原子世界仍然處于熱平衡狀態(tài)，普通物質(zhì)被“熱”得寸步難行。

暗物質(zhì)因不與光和電子相互作用，率先掙脫熱壓，提前在局域聚集出引力勢阱。待宇宙冷卻，原子物質(zhì)終于可以凝結(jié)時，這些“暗物質(zhì)暈”早已搭好舞臺，引導(dǎo)氣體匯聚、坍縮，點燃第一代恒星，最終組裝出星系。若沒有暗物質(zhì)，原子物質(zhì)的聚集將慢得多，像銀河系這般規(guī)模的星系或許至今無法形成。

更微妙的是，銀河系的誕生還取決于暗物質(zhì)的“溫度”。今天主流觀點認(rèn)為暗物質(zhì)是“冷”的——粒子質(zhì)量大、早期運動速度低，故稱冷暗物質(zhì)（CDM）。在CDM宇宙里，最先形成的是小暗暈，再通過并合長成更大的暗暈；星系也從小變大，自然演化出銀河系這樣的系統(tǒng)。上世紀(jì)70年代，有人曾設(shè)想暗物質(zhì)是輕而快的中微子，即“熱暗物質(zhì)”（HDM）。HDM的熱運動足以在小尺度上抵抗引力，結(jié)構(gòu)形成順序與CDM相反：先形成超大結(jié)構(gòu)，再碎裂成小結(jié)構(gòu)。計算機模擬很快顯示，在HDM宇宙里，銀河系級別的星系根本來不及在今天誕生，更遑論南半球夜空中明亮的麥哲倫云這類矮星系。可見，看不見、摸不著的暗物質(zhì)，只要性質(zhì)改動分毫，宇宙樣貌便會天差地別，甚至不會有你我坐在這里討論“意義”。

坦率地說，暗物質(zhì)至今零應(yīng)用：它進不了芯片，也熬不成雞湯。我們無法把它抓在手里，更沒法塞進電池或發(fā)動機。它不像石油或硅片那樣立刻轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。據(jù)傳，法拉第研究電磁學(xué)時被問“電學(xué)有什么用”，他答：“將來你會征稅?！卑滴镔|(zhì)研究者大概沒有底氣復(fù)制這句豪言。但當(dāng)普通人愿意抬頭了解暗物質(zhì)，他的目光便從腳下的六便士移向夜空的明月，乃至更宏大的宇宙。這種用理性拓展認(rèn)知邊界的過程，正是“人成為人”的核心。