许多怪异现象使天文学者相信，宇宙中可能有许多不可思议的事物存在，从逻辑上来说，缺少这些环节，科学家便无法解释当今科学领域中最基本最富有挑战性的问题，宇宙主要有什么构成？太空到底有多空？光滑而无定形的宇宙从何而来？向何处去？

依照牛顿万有引力定律，行星的轨道速度依离太阳的距离增大而逐渐减小。据观测，在太阳系中，外圈行星比内圈行星运动速度低，这一现象与牛顿定律相一致。但是，对太阳系所在星系银河系的远处进行观察，并没有发现这样的变化规律，相反，从银河系中心向外伸延的螺旋臂上的天体，不论离中心远近，其运动速度皆与中心相等（？），这一事实加上其他反常的情况使科学家开始相信，只有假定星系被包围在大量不可见物质之中，才可能解释上述现象。

20世纪30年代，科学家首次提出了对宇宙仅由被称为重子（baryon）的普通物质组成这一理论的质疑。当时，美国加州技术研究院的天体物理学家弗里茨 · 兹威基（Fritz Zwicky）观察到某些星系以意想不到的高速度在另一个星系团中穿行，因为该星系团中可观察到的物质不足以提供足够的引力来将这些星系以如此高速牵引，所以，他判断，宇宙不仅仅由普通物质构成，星系团一定被大量不可见物质的晕圈所环绕。

在此后的几十年间，弗里茨的理论一直没有什么发展。

直至10多年前，天文学家通过对星系的运行速度、旋转方式和形状的进一步研究，才更清楚地意识到，宇宙中必定存在着许多未知物质。

据美国麻省理工学院的天体物理学家阿兰 · 古斯（Alan Guth）博士等美国科学家的理论假设，宇宙由大爆炸形成。当时，一个密度极高、体积小到连一个质子都容不下的微点发生大爆炸，在仅为十亿分之一秒的时间内，膨胀为体积约有星系大小的体系，自此以后，一直向四面八方扩散膨胀至今，在爆炸产生的某些不可见物质的引力作用下；最终形成可见的宇宙，产生今日宏大的结构和壮丽的景观，并且，该膨胀还在继续之中。根据最新研究结果修正的理论进一步认为，爆炸伊始，产生了大量的亚原子粒子，它们相互碰撞，吸收光波，就像一锅均匀的热汤。在爆炸后很短的时间内，在继续不规则膨胀的宇宙中，微小的密度差别逐步扩大，形成了“涟漪”，这些“涟漪”被视为质量略大于周围区域，因此其引力场比周围略强，可以吸引越来越多的物质。最终，宇宙慢慢冷却，横冲直闯、不受羁绊的亚原子粒子最终可以结合成第一批稳定的原子，原子之间留出了分明的通道，光可以自由通过，豁然间，宇宙变得“透明”。经过了几十亿年，这种不规则的微粒在引力作用下，逐步形成星系、星系团、星系团簇和宇宙中巨大的空间，演变成当今的宇宙。天文学者将最早出现的“涟漪”比作时-空结构中的“峰”与“谷”，就像在山顶上的具有位能的石块，在其下落过程中集结惯性，集结更多的石块，直至形成无数的崩落，最终在山脚积成大石堆——当今的宇宙。

不过，盖斯说，在上述理论的公式中，由于重子不可以直接被处于混沌初开状态的微粒的弱作用所吸引而结合，因此在由大爆炸起至今的时间内，单靠普通物质不可能如此快速地建立起如此庞大的宇宙，而某些暗物质则可以接受这种弱作用，这意味着必然存在某种不可见物质，起到了宇宙塑造师的作用。

1964年，科学家证实，当今充满宇宙之中的由大爆炸产生的漪涟处于光谱的长波部分，其背景辐射明显的一致性表明，当年大爆炸之后的宇宙是毫无特色的各向同性的体系。20多年来，像考古学家考古那样，天文学家一直在研究这种辐射遗迹以检验其理论。美国航空航天局（NASA）耗资4亿美元的宇宙背景探索（COBE，Cosmic Background Explorer）卫星的发射终于使这一研究开花结果。

今年4月23日，在美国物理学会会议上，美国科学家宣布，经过对COBE的测量结果的分析，发现了大爆炸时产生的“涟漪”，揭示出目前所知最大并且最古老的宇宙结构，起码部分解答了宇宙学的最大的奥秘，这些发现在天文学界引起了轰动，大大地支持巩固了上述理论，至少部分解答了宇宙学的最大奥秘。

于1989年发射的COBE卫星携带了新式的轨道探测仪器，叫微分微波辐射仪（DMR，Defferential Microwave Radiometer）。微分微波辐射仪比过去的仪器敏感10到1000倍，对全天空的晕圈的测量精确度为一百万分之一，用COBE的负责人、柏克莱实验室的乔治 · 斯穆特（George Smoot）的话说，就是珠穆朗玛峰的高度与2厘米之比。

COBE研究组直接对当年大爆炸时产生的“涟漪”进行检测。据分析，可能过了起码30万年以后，光波才从“涟漪”中穿透出来并向地球进发 · 由于它们旅行了几十亿光年才到达地球，已经分散得极为稀薄，温度极低，为-270 K，但仍显然与宇宙背景的辐射有极微小的区别，此温差约为十万分之一度，微弱到只有用最敏感的仪器才能测出。而这十万分之一度的温差5是当年原始大爆炸造成的微粒密度差在时-空结构中留下的印记。

为了测出这一微小温差，在COBE发射后的第一年，科学家用微分微波辐射仪进行了几亿次的测量，8位工作人员花了足足几个月的时间，用计算机进行了巨量的计算。计算过程中，他们排除所有来自仪器、银河系以及他们可以想象得出来的干扰因素，以确保数据的准确性。

斯穆特说，目前宇宙外缘最大的原始状态结构已膨胀到约950亿公里远，这些结构如此之大，尚未演化为星系或星系团，对付如此大量的物质，引力的作用尚需时日才能生效。他还说，虽然现在检测到的是“涟漪”，然而，强有力的理论依据表明，在大爆炸的一刹那间，这些创造今日世界的种源已经被决定。而且，COBE科学家阿兰 · 柯盖特（Alan Kogut）说，“涟漪”已经是迄今为止人类对宇宙起源最接近的探测。

COBE卫星测得的结果与大爆炸假设相一致，对颇有争议的大爆炸理论给予了重大的支持。天体物理学家普遍同意斯穆特的说法，即COBE的发现支持了大爆炸理论，同时也就支持了宇宙的大部分由大量不可见物质所组成的假设。处于领先地位的宇宙学家约瑟夫 · 西尔克（Joseph Silk）是《大爆炸》一书的作者，他称COBE的数据“真漂亮”，若得到证实，将基本解答出大爆炸理论的疑点。

天文学家说，如果这些极为复杂的测量为随后的实验所证实，那么，现存的若干宇宙学理论将被全部摒弃，未来的理论必须能说明这些新发现的数据。

美国戈达德（Goddard）太空飞行中心的专家、天文学和天体物理学百科全书的撰写人史蒂芬 · 马兰（Stehen Maran）说：“如果他们（COBE研究组）是正确的话，那么，这是一项诺贝尔奖金级别的发现。他们找到宇宙形成的第一手证据，就像看到了创世记。”斯穆特说：“英语无法找到足够高级的词来形容这一发现的伟大的潜在意义，这意味着对早期宇宙的认识的一场革命。”

如果大爆炸理论成立，那么，失踪的微粒在哪里？科学家估计，目前宇宙的90%~95%是由不可见物质组成，还有一种说法认为，目前可见的星球和星系只占了宇宙物质的不到1%，也就是说，大量的不可见物质躲过了目前最先进的天文或粒子物理仪器的检测。这些物质不但不见形迹，而且无法确定其性质。它们中的一部分可能是极暗的星或是被称为黑洞的引力旋涡。然而，其大多数应以奇拜的亚原子粒子形式存在，这些粒子遍布于整个宇宙之中。当然，这都是些显然建立在假想之上的复杂的奥秘。

但是，找出这些暗藏的粒子将使粒子物理学理论大大改观，并且使人类对宇宙的结构和演变的了解迈进一大步。它甚至有可能帮助宇宙学家预测宇宙未来的发展趋势：是永无休止地膨胀？还是最终停顿下来、由于自身的引力作用而坍塌？

如果暗粒子确实存在，它应该与目前所知的星球和人体中的普通原子大不一样，其哲学寓意将非常深远并具有震慑力。伯克莱加州大学的物理学家伯纳德 · 塞多利特（Bernard Sadoulet）博士是柏克莱加州大学的粒子天体物理中心的主任，在寻找暗物质方面处于领先地位，他认为，从上述意义考虑，“这将是对太阳中心说最高级的革命，因为我们不仅仅发现自己并不处于宇宙的中心，而且发现我们竟然对构成宇宙的大部分物质茫无所知。我们只是观察到这么一点点额外的、毫不起眼的现象，而宇宙却是另外一种截然不同的东西。”

在COBE的新发现的鼓舞下，科学家正加倍努力寻找失踪物质。问题是，这些不可见的微粒到底是什么？目前已有若干候选名单，它们都是不会吸收或放射光的物质。

一种是中微子（neutrino）。据称，中微子是很轻的亚原子粒子，它高速度、高密度并大量存在，在目前猜测的各种不可见粒子中被研究得最多。理论上来说，它们有可能在大爆炸时就被大量地创造出来。美国和俄罗斯科学家最近的实验表明，有一种中微子显然有些质量，虽然其质量仅为电子的万分之一，但有可能占了宇宙中暗物质的绝大部分。虽然中微子理论仍有其追随莕，但其他天体物理学家提出了疑问；中微子是“热”的，这意味着它们以接近光速的速度运动，因此可以设想，这些又轻又快的粒子必定会以高速飞离稠密的“涟漪”，而不是被“涟漪”吸引而集结成为构造星系的要素。

于是，科学家转而考虑别的物质。60年代初，英国物理学家史蒂芬 · W · 霍金（Stephen W. Hawking）首次指出黑洞的存在，对其研究至今仍在进行。80年代初，粒子物理学家开始假设奇异的亚原子粒子的存在，一种叫轴子（axion），另一种叫弱作用物质粒子（weakly interacting massive panicles），简称弱子（WIMP）。它们低速、低温并且不吸收也不放出光线。

然而，就在COBE结果公布前的几个月，冷暗粒子理论受到不断增长的质疑的围攻，不断有报告说，巨大的星系群看来不可能在如此有限的时间内由这么小的冷暗粒子形成。幸好COBE对密度“涟漪”的发现复活了该理论，天体物理学家精心构思，用冷暗物质来解释宇宙的庞大结构，对大爆炸理论加以修正。

美国桑塔 · 克鲁兹加州大学的天文物理学家乔尔 · 普里麦克（Joel Primack）曾经在早期反对冷暗粒子理论。他现在认为，将冷暗粒子与大爆炸理论结&在一起，“产生的有关星和星系团的公式非常漂亮，可以正确地解释这些结构的许多质量和性质问题。”

在柏克莱中心，实验的和理论的天文学家、物理学家开展了对暗物质的广泛搜索，不管是冷是热，或是什么别的都行。该中心的一个研究前沿项目是尝试通过实验来证实COBE的结果，并寻找卫星探测不出来的更小的密度涟漪，对这些涟漪的进一步检验应该可以显示出暗物质是冷还是热，或是别的什么东西。该中心的一支研究队伍计划在今年秋天架起一座配有高空气球的特别敏感的望远镜，以搜索更为详细的早期宇宙的“涟漪”。虽然早先类似的实验一无所获，但物理学家马克 · 德弗林（Mark Devlin）博士说，“这回，我想我们会看到一些东西。”

目前，共有十多家研究机构竞相进行该项目的研究。麻省理工学院的科学家正在进行类似的测量；桑塔巴巴拉加州大学的菲立普 · 鲁宾（Phillip Lubin）博士，在空气干燥、清澈、特别适合观察的南极使用射电望远镜寻找小幅度的“涟漪、英国乔德列尔 · 班克（Jodrell Bank）无线电观察所的天文学家改进了地面仪器的灵敏度，目前抱乐观态度，认为不久就可以为早期宇宙结构的研究提供新材料。

柏克莱加州大学的粒子天体物理中心正在发展一代新型的仪器以直接监测设想中的弱子*其设计思想是，普通物质的行为受制于核的强力场作用，而弱子不受其作用，因此，即使弱子存在，由于其性质特殊，也不易测出。不过，弱子应该无处不在，每天都有亿万个弱子穿透人的身体，虽然其中只有极少部分与身体中的原子相互作用。目前，他们将监测仪器深置于地下进行实验，这样可以远远避开常见的宇宙射线的干扰，以记录由冷暗物质与硅或锗等半导体碰撞所产生的任何的电荷或闪亮。该监测方法是基于这样的设想，即冷暗物质粒子击中普通物质晶体的晶格中的核时，会产生摆动，足以发射出振荡或声子。如果将监测仪器冷却到接近绝对零度进行操作，有可能测出这些稀有的反应变化引起的温差。柏克莱中心正在使用这种超冷仪器搜索弱子。

科学家相信，轴子应该比弱子更轻，其质量大概只有电子的一万亿分之一，并且渗透在所有环境之中。一支由来自柏克莱中心、劳伦斯 · 利佛摩尔实验室、佛罗里达大学、麻省理工学院和俄罗斯科学研究院的科学家组成的研究队伍，正在发展一种实验，专门瞄准轴子进行监测，他们在试图用轴子激发产生微波的同时，使用超导磁体扩大讯号以进行分析。

柏克莱中心的另外两名研究宅、金姆 · 格里斯特（Kim Griest）和查尔斯 · 阿尔科克（Charles Alcock）则倾向于认为这些不可见物质由普通物质组成，这些物质叫晕圈密集实体（Massive Compact Halos Objects），简称强子（Macho）。强子具有质量，是与弱子对立的假设。他们认为，这些冷暗物质中的相当一部分只不过是星系之间的晕圈中的小星球，于其质量太小，不会激发核反应，因而不会闪耀，在天空中隐藏起来，尚未被测出。他们正在澳大利亚通过天文望远镜对这些有时被称为“褐色侏儒”的小星球进行监测，使用的是新研制的对紫外光敏感的电子监测仪，采用了引力透镜检测技术。该技术原理是，当光从遥远太空物体如类星体发出，向地球传递，该光肯定会在运行过程中在这里或那里碰到物质而发生偏转，虽然起干扰作用的物质不可见，但其干扰作用可以被检测出来，对这些观察结果的分析就会间接揭露暗物质的性质，起码可以由此了解其分量和排列方式。

暗物质的分量在宇宙学研究中具有极为重要的理论意义。因为，如果宇宙中的物质的平均密度处于某一临界水平，就意味着在引力与膨胀能量之间存在着平衡，宇宙将可以保持稳定，而如果宇宙中的物质的平均密度太大，则引力太大，会产生封闭式的宇宙，其中的引力会容许宇宙膨胀一段时间，然后停滞下来，最后发生坍塌*而如果宇宙中的物质的平均密度大小，则引力太小，宇宙会无休止地膨胀，变得越来越稀薄和寒冷。

美国电报电话（AT&T）公司贝尔实验室的天体物理学家安东尼 · 泰森（Anthony Tyson）博士已经若手通过引力透镜检测技术描绘暗物质的宇宙分布图，他坚信，引力透镜是非常有效的探测工具。

但是，不要过于乐观，迄今为止，尚未检测出弱子和轴子的任何蛛丝马迹*柏克莱中心的卡尔 · 费希尔（Carl Fisher）博士说，“所有的理论都在蠢蠢欲动。我参加过一次会议，宇宙学界各路神仙聚会，没有任何人对任何理论感到确有信心。冷暗物质理论似乎能解决小范围的问题，热暗物质理论似乎能解决小范围的问题，可是，你怎样才能把这两者结合起来？”也许，一次大的新发现会改变这一切。阿尔科克博士说：“这个新发现将会是对90年代宇宙学的重要一击。”

利弗尔摩尔实验室的卡尔 · 凡 · 比伯尔（Karl Van Bibber）博士和柏克莱中心的克里斯 · 哈格旻（Chris Hagmann）博士是探测轴子的带头人，他们认为，只要轴子存在，最终会找到足够灵敏的仪器来捕捉住它。比伯尔博士说，“当然，我们是狂热的信徒，干寻找暗粒子这-行，你非要执着入迷不可。”

目前，美国科学家各显神通，加紧寻找不可见物质。塞多利特说*“现在，由于COBE的获得新的发现，我们的任务更为紧迫。不过，我想，原来就够紧迫的，因为你竟然不知道起码90%的构成宇宙的物质是什么。”

〔The Washington Post，1992年4月24日；The New York Times，1992年5月26日〕