物理学家和天文学家已经确定，宇宙中大部分物质是“暗物质”——我们从其引力效应推断出它的存在，而不是通过电磁影响，就像我们在普通、熟悉的物质中发现的那样。暗物质是物理学中最简单的概念之一，但由于我们人类的视角，它仍然令人费解。我们每个人都有五种感官，所有这些感官都源于电磁相互作用。例如，视觉是基于我们对光的敏感性：特定频率范围内的电磁波。我们能看到我们熟悉的物质，是因为构成它的原子发射或吸收光。原子中电子和质子携带的电荷是我们能看到的原因。
然而，物质不一定由原子组成。它的大部分可以由完全不同的东西组成。物质是任何像正常物质一样与引力相互作用的材料——例如，聚集成星系和星系团。
没有理由认为物质必须总是由带电粒子组成。但是，没有电磁相互作用的物质对我们的眼睛是不可见的。所谓的暗物质不带（或尚未探测到极少）电磁电荷。没有人用自己的眼睛，甚至用灵敏的光学仪器直接看到它。然而，我们相信它存在于那里，因为它的多重引力影响。这些影响包括暗物质对我们星系中恒星的影响（这些恒星的旋转速度太快，以至于普通物质的引力无法控制），以及星系团中星系的运动（同样，速度太快，无法仅由我们看到的物质来解释）；它在大爆炸时期遗留下来的宇宙微波背景辐射上的印记；它对超新星膨胀中可见物质轨迹的影响；被称为引力透镜的光线弯曲；以及在星系团合并中可见物质和不可见物质分离的观测结果。
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然而，也许暗物质存在的最重要迹象是我们自身的存在。尽管暗物质是不可见的，但它对我们宇宙的演化以及恒星、行星甚至生命的出现至关重要。这是因为暗物质携带的质量是普通物质的五倍，而且不直接与光相互作用。这两个特性对于诸如星系之类的结构的形成至关重要——在（相对较短的）我们已知是典型星系寿命的时间跨度内——特别是对于形成像银河系这样大小的星系。如果没有暗物质，辐射会阻止银河结构的团块化过长时间，本质上会将其抹去，并保持宇宙的平滑和均匀。自大爆炸以来，对我们的太阳系和我们的生命至关重要的星系之所以形成，仅仅是因为暗物质的存在。
有些人第一次听到暗物质时，感到沮丧。我们看不到的东西怎么可能存在？至少从哥白尼革命以来，人类应该准备承认自己在宇宙构成中并非处于中心地位。然而，每次人们在新的背景下了解它时，许多人都会感到困惑或惊讶。没有理由认为我们看到的物质应该是唯一存在的物质类型。暗物质的存在可能是预期的，并且与我们所知道的一切相符。
也许一些困惑在于名称。暗物质实际上应该被称为透明物质，因为像所有透明的东西一样，光只是穿过它。然而，它的本质远非透明。物理学家和天文学家希望在更基本的层面上理解暗物质到底是什么。它是由一种新型的基本粒子组成的，还是由一些不可见的致密物体组成的，例如黑洞？如果它是一种粒子，除了引力之外，它是否与熟悉的物质有任何（尽管非常微弱的）相互作用？该粒子是否与自身有任何我们感官无法察觉的相互作用？是否有多于一种这样的粒子？这些粒子中是否有任何粒子有任何形式的相互作用？
我的理论同事和我已经考虑了一些有趣的可能。然而，最终，我们只有在进一步观测的帮助下才能了解暗物质的真正本质，以指导我们。这些观测可能包括更详细地测量暗物质的引力影响。或者——如果我们非常幸运，并且暗物质确实与我们迄今未能观察到的普通物质有一些微小的、非引力相互作用——大型地下探测器、太空卫星或位于日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机未来可能会探测到暗物质粒子。即使没有与普通物质的这种相互作用，暗物质的自相互作用也可能产生可观察到的后果。例如，如果暗物质与自身的相互作用重新排列了星系中心的物质，那么小尺度星系的内部结构将有所不同。类似于银河系的致密或其他结构，例如我们在仰望夜空时看到的明亮气体云和恒星，可能表明存在一种或多种与彼此相互作用的不同种类的暗物质粒子。或者，假设的与磁场相互作用的轴子粒子可能会在实验室或太空中被探测到。
对于理论家、观察者或实验学家来说，暗物质是一个很有前景的研究目标。我们知道它存在，但我们还不知道它在基本层面上是什么。我们不知道的原因现在可能很明显：它只是没有足够的相互作用来告诉我们，至少到目前为止是这样。作为人类，如果普通物质基本上对暗物质的存在一无所知，我们只能做这么多。但是，如果暗物质具有一些更有趣的特性，研究人员准备好找到它们——并且，在此过程中，帮助我们更完整地解决这个奇妙的谜团。
本文是特别报道《科学中最大的问题》的一部分，由卡夫利奖赞助。它由《大众科学》和《自然》杂志编辑独立制作，他们对所有编辑内容负全部责任。