暗物质存在的五个铁证
尽管我们周围充斥着恒星、星系、气体、尘埃等，宇宙中所有基于原子的“普通物质”仅占总能量的 5%。剩余的能量则由暗物质(27%)和暗能量(68%)构成。暗物质在塑造宇宙的大尺度结构、维持星系和星系团的完整性等方面扮演着至关重要的角色。很多人曾想，我们能否简单地修改引力理论，从而完全不需要暗物质？答案是否定的，因为如果想同时解释这五大关键证据，就必须承认暗物质的存在。
在科学领域，非主流理论的倡导者会时不时地努力为其注入新的活力，即使这些理论不如主流理论那样能很好地解释现有证据。有时，新的证据浮现，确实对主流理论提出了挑战，要求重新评估那些曾被抛弃的替代方案；有时，一系列令人惊讶的观测结果支持了一个曾被否定的理论，使其重新受到关注。然而，另一些时候，推动非主流观点的并非新数据，而是一种错误的叙事：那些已被主流专业人士合理驳斥的似是而非的论点，突然在一批缺乏经验的年轻一代或未接触到支持共识立场的广泛主流事实的局外人中流行起来。
除非你具备必要的专业知识来准确、全面地诊断所提出的观点，否则几乎不可能区分这些情况。近几年，这些似是而非的论点越来越受欢迎。例如，一位著名的持相反观点的物理学家曾在文章和视频中表示，围绕暗物质的形势已经发生变化，现在修改引力理论理应得到同等的重视。最近，另一位知名物理学家也提出了类似的、关于暗物质不存在的令人怀疑的论点。
1. 宇宙中“普通物质”的总量被明确地知晓
你仰望宇宙，那里充满了恒星、星系、气体、尘埃、等离子体、黑洞等等，你可能会想，是否还有更多“已知物质”隐藏着。毕竟，如果我们观察到的引力效应超出了我们所能解释的范围，也许只是某些看不见的质量在起作用。这种“只是变暗了的普通物质”的想法，曾是阻碍暗物质在 20 世纪中后期被主流宇宙学接受的主要障碍之一。
宇宙中确实存在大量的气体和等离子体，你可能会猜测，如果它们足够多，我们就根本不需要某种全新的物质。也许，如果中微子质量足够大，它们就能填补缺失的能量缺口。或者，如果宇宙诞生时物质过多，部分物质在早期就坍缩形成了黑洞，这也能解决我们所看到的宇宙不匹配问题。
但是，所有这些猜想都是不可能的，因为宇宙中普通物质的总量已被明确确定：仅占临界密度的 4.9%，且误差仅为 ±0.1%。
关键的观测限制来自于对轻元素丰度的测量：
* 氢
* 氘
* 氦-3
* 氦-4
* 锂-7
在炽热大爆炸的最初几分钟，这些轻元素在早期宇宙的核火炉中锻造而成：当时条件足够热和致密，允许轻原子核之间发生关键的核聚变反应。我们获得的每种元素的量，高度依赖于早期时刻宇宙中普通物质的总量，具体来说，取决于一个属性：重子与光子的比例。正是这个参数决定了元素的预测丰度，而由于我们已经测量了宇宙大爆炸遗留辉光(即宇宙微波背景辐射)的辐射密度，测量轻元素的丰度就可以非常清晰地告诉我们宇宙的重子密度是多少。
截至目前，这些丰度已通过对气团的光谱测量直接确定，也通过对宇宙微波背景辐射的详细观测间接确定。这两种测量都指向同一个结论：宇宙能量的 4.9%±0.1% 以普通物质的形式存在。
这意味着由重子形成的黑洞不可能构成暗物质的很大一部分。我们知道大爆炸核合成对中微子的依赖性，并且只允许存在电子、缪子和陶子这三类中微子，因此中微子也不可能是暗物质。事实上，标准模型中的任何粒子都无法胜任。但这个关键事实是无法被正当质疑的：根据我们确定的普通物质数量，要与我们的宇宙学观测保持一致，就必须存在一种新的基本成分。我们称这种成分为“暗物质”，它必然存在。
2. 没有暗物质，无法解释宇宙微波背景或宇宙的大尺度结构
想象一下宇宙在最早期的阶段：炽热、致密、几乎完美均匀，同时不断膨胀和冷却。一些区域天生密度稍高，它们会优先吸引物质，试图通过引力增长。由于引力始终是吸引的，密度最大的初始区域会优先将周围越来越多的物质吸入自身。
随着引力作用，密度开始增加，这是预料之中的。但这也会产生另一个效应：导致内部辐射压力随之增加。这种增长在早期不可能永远持续，因为辐射携带着大量的能量并施加显著的压力。最终，引力增长会导致密度达到峰值，从而使光子(辐射粒子)流出该区域，随后密度又会下降。
随着时间的推移，较大的区域可以通过坍缩开始增长，而较小的区域则经历坍缩、稀疏、再次坍缩的振荡过程。这种行为会在大爆炸遗留辉光中形成一个温度不均匀性的频谱，并最终形成结构(恒星、星系和宇宙网)生长的种子。但是，一个既有暗物质又有普通物质的宇宙，与一个只有普通物质的宇宙，其在宇宙微波背景和宇宙大尺度结构方面会表现出不同的行为。
这两种情景——有暗物质和无暗物质——之所以会产生不同的温度波动频谱，是因为两者之间的物理学是不同的。当然，它们也有共同点：
* 暗物质和普通物质都会产生引力。
* 密度的增加都会导致辐射压力的增加。
* 辐射都会流出由普通物质、暗物质或两者共同组成的超密度区域。
但普通物质会与其他普通物质碰撞并与光子相互作用，而暗物质对这一切都是“隐形”的：它不碰撞、不粘附、不与普通物质或光子交换能量。结果，一个存在暗物质的宇宙，其宇宙微波背景频谱以及大尺度结构的功率谱中，波动峰谷的数量是仅有普通物质的宇宙的两倍。
明确且毋庸置疑地，暗物质是必需的。具体来说，这种暗物质必须是冷的、非碰撞性的(至少与普通物质和光子之间是非碰撞的，尽管它可能与自身碰撞)，并且对电磁辐射是不可见的。换句话说，它不能是普通物质，也不能是标准模型中的任何粒子。如果你想提高你的怀疑度，请留意那些试图在没有暗物质的情况下解释宇宙微波背景或物质功率谱的非主流论文；它们很可能会添加一些东西——比如大质量中微子、惰性中微子，或者一个具有特定耦合的额外场——其功能与暗物质的行为没有区别。
（示意图）
3. 暗物质表现为粒子，这与表现为场有着本质区别
最近，那些试图对暗物质散布疑虑的人又在推销另一种似是而非的叙事：因为粒子只是量子场的激发，所以添加一个新的量子场(或修改引力场)可以等同于添加新的(暗物质)粒子。这是一种最糟糕的论点：它包含了一点技术上的真相，但却误导了问题的核心要点。
核心要点是：场在物理学中是非常普遍的实体，它们弥漫于整个空间。它们可以是均匀的(处处相同)或团块状的；可以是各向同性的(所有方向相同)或具有优先方向的；它们可以与某些其他扇区耦合(即相互作用)，也可以与它们解耦(即非相互作用)。相比之下，粒子可以是无质量的，在这种情况下，它们必须表现得像辐射；或者它们可以是有质量的，在这种情况下，它们必须表现得像我们熟悉的有质量粒子。如果我们处理的是一个有质量的粒子系统，那么这些粒子将：
* 聚集成团
* 产生引力
* 展现出已知的、动能与势能之间的关系
* 具有有意义的粒子属性，如截面、散射振幅和耦合
* 并且至少遵循现已知的物理定律而运作。
正是基于这些原因——基于我们仅从天体物理观测中推断出的暗物质的所有特性——我们得出结论，暗物质本质上是类粒子的。这并不意味着它不能是：
* 一种无压流体
* 一种团块状的“尘埃”
* 或者它的截面在除引力外的所有相互作用下必须为零。
然而，它的确意味着，如果你试图用一个场来取代暗物质粒子的情景，那么这个场必须如何运作就存在限制。特别是，你用来取代暗物质的场，从天体物理学的角度来看，其行为方式必须与一大群有质量粒子的行为无法区分。
暗物质不一定非得是粒子，但声称“它可以像场一样容易地是粒子”，却忽略了一个巨大的真相：暗物质的行为方式，恰恰符合我们对一种新的冷、有质量、非散射粒子群体的预期。你可以让它成为一个场，但它必须是那种在行为上与暗物质粒子无法区分的场。尤其在大的宇宙尺度上，例如星系团(约 10 到 20 百万光年)及更大的尺度上，这种类粒子行为只能被一种行为与粒子暗物质无法区分的场所取代。
4. 必须解决并考虑真实的小尺度物理效应，如动力学加热、恒星形成和反馈
暗物质存在的问题——或者说，冷、非碰撞暗物质的预测与观测结果发生冲突的情况——几乎完全发生在小的宇宙尺度上：即单个大星系及更小的尺度。确实，某些引力修改可以在这些尺度上更好地匹配许多观测结果。但这其中有一个“肮脏的秘密”：在这些小尺度上存在着复杂的物理过程，每个人都承认尚未得到妥善的解释。在我们能恰当地解释它们之前，我们无法判断修改引力或暗物质方法是成功还是失败。
这项工作非常困难！当物质坍缩到一个大质量天体的中心时，它会：
* 失去角动量
* 加热
* 可能触发恒星形成
* 这导致电离辐射
* 辐射将普通物质从中心向外推
* 这会在引力上“加热”中心的暗物质
所有这些都需要计算在内。此外，我们目前只考虑了最简单的暗物质情景：纯粹的冷、非碰撞，没有外部相互作用或自相互作用。当然，我们可以在添加冷、非碰撞暗物质的同时修改引力，或者我们可以问：“暗物质可能拥有什么样的相互作用特性，才能导致我们观测到的小尺度结构？”这些方法同样有效，但两者都需要暗物质的存在——无论你是否称之为暗物质——并且必须考虑这些已知且真实的效应。
重要的是，单个星系并不一定为修改引力提供比暗物质更有力的支持；而且，如果你试图仅从普通物质分布推断星系属性，它只对宇宙中存在的某些子类型的星系有效，而不能适用于我们发现的所有类型的星系。
5. 必须解释全部的宇宙学证据，否则就是“断章取义”，而非真正的科学
这是一个极其重要且需要反复强调的观点：我们拥有关于宇宙的全部数据，你在得出结论时必须将其全部考虑在内。这包括以下例子：
* 你必须观察宇宙微波背景中的所有七个声学峰，而不仅仅是前两个。
* 你必须诚实地评估你所添加的替代“事物”(用来代替暗物质)是否等同于暗物质且无法区分。
* 你不能以牺牲对暗物质成功解释的大尺度特征为代价，来修改引力定律以解释小尺度特征。
* 你不能将那些显然已经发生(但并非被禁止)的、统计上不太可能的结果挑选出来，作为主要理论错误的“证据”(参见宇宙微波背景中低四极/八极矩多年来徒劳无功的努力)。
* 你不能过度简化和错误地描述你的非主流方法试图取代的主流理论的成功之处。
请记住，想要推翻和取代一个旧的科学思想，你必须跨越的第一道障碍是重现旧理论的所有成功。我们可能确实需要一个新的引力定律来解释我们的宇宙，但你不能以一种暗物质不再被需要的方式来做到这一点。
关于暗物质和在小尺度与大尺度上修改引力的问题，有一些非常重要的观点是你绝不应该忘记的。在最大的宇宙尺度上，只有引力效应在起作用，它们代表了测试宇宙学物理学的“最干净”的天体物理实验室。在较小的尺度上，恒星、气体、辐射、反馈以及由普通物质物理学产生的其他效应起着极其重要的作用，而模拟仍在不断改进中。我们尚未达到能够明确处理小尺度物理学的阶段，但大尺度的物理学已经存在了很长时间，并果断地指向暗物质，排除了所有行为明显不同于暗物质方法的修改引力理论。
愚弄自己最简单的方法，就是在没有考虑所有作用因素的情况下，得到了一个正确的答案。以错误的原因得到了正确的答案——特别是如果你能检查出答案是正确的——这是让你相信自己发现了重大发现的最可靠方式，即使你捕捉到的仅仅是你未能考虑进去的重要物理效应。虽然我们不知道引力定律最终是否需要修改，但我们可以确信，就我们宇宙中的物质而言，其中大约 85% 确实是暗的。