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在2003年2月11日，美國航太總署召開記者會，公告最新測得的宇宙學參數。其中有關宇宙間物質成份的結果是：4%的質量是重子物質（baryon）、24%暗物質、72%暗能量。亦即，宇宙主導成份是「暗」的，重子佔極少數。這裡「重子物質」指的是質子、中子以及由它們構成的各種物體，例如人的身體就是由重子所構成的。所以，從宇宙學的眼光來看，人類真正是由稀有物質構成的。暗物質很多，也許就在你身邊，但是一般人的肉眼是看不到的。暗能量更是處處皆有，包括在你的身體裡，而且你也不會有任何感覺。
當然，人感覺不到的東西多的是。通訊用的電磁波，人就不能覺察，只能用手機或其他設備接收。但是暗物質不同，至今世界上還沒有一個設備探測到暗物質的訊號。雖然曾有一個實驗團隊宣稱探測到暗物質的訊號，不過它並沒有得到同行的公認。這就是位於義大利的巨石峰國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）所進行的DAMA（源於dark matter二字的前兩個字母）實驗。筆者去年暑期造訪這間實驗室，它位於亞平寧山脈主峰巨石峰之下1400公尺的隧道裡（裡面分ABC三區，區域間以通道相連）。隧道長10多公里，陰潮幽暗，濕度達100%，雖然有強力通風及空調設備，仍然不免感到鬱悶。DAMA在這裡堅持了約10年，儘管實驗結果沒有得到承認，但他們還是要堅持下去。
是什麼原因促使DAMA及其他搜索團隊，在歷經10年仍然找尋不到暗物質的情況下，仍然要堅持下去？因為他們相信天文物理學家的結論，認為暗物質高達24%。那麼，又是為什麼，對這種至今探測不到的物質，天文物理學家會對這個數據深信不已？這就要把故事拉回70年前。
下落不明的質量
1930年代初，瑞士天文學家茲威基（F. Zwicky）發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。質量下落不明！茲威基用的是一種最古老的方法：以明察暗。其原理同盤查走私的一種簡單方法相同。比如一艘貨輪，如果船主申報貨物的數量和質量不足以說明貨輪的吃水深度，則它很可能夾帶黑貨。在茲威基那裡，「貨輪」是星系團，「申報的貨物」是看得見的星系，而「黑貨」就是下落不明的物質。這是最早的暗物質的存在證據。
茲威基的結果雖驚人，不過，許多人並不信，更多人半信半疑。直到1980年出版的《中國大百科全書》上還寫著：「這個問題（指是否有下落不明的物質）迄今還未得到令人滿意的解決。」實際上，1978年已經出現第一個更令人信服的證據，這是測量物體圍繞星系轉動的速度。我們知道，根據人造衛星圍繞地球運行的速度和衛星的高度，就可以測出地球的總質量。根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質量。同理，根據物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系範圍內的總質量。結果發現，星系的總質量遠大於星系中可見星體的質量總和。結論似乎只能是：星系裡必有暗物質。
自此之後，暗物質存在的證據愈來愈多。宇宙中暗物質的含量，最初是由研究星體形成時得到的。我們今天生活的銀河系和所有其他的星系，都是由宇宙早期的氣體「凝結」成的，而造成「凝結」的原因是萬有引力（或重力）。氣體之間的重力吸引可以導致氣體結合形成星體。然而仔細計算後發現，氣體或重子物質是太少了，它們之間的引力遠不足以形成今天如此眾多的可見星系；但是如果將暗物質考慮在內，引力則會大大增加。也就是說，暗物質能率先形成團塊結構。在這種暗物質團塊引力的幫助下，氣體才可能形成星體。
所以說，人類雖然不是由暗物質構成的，但是如果沒有暗物質，可能就沒有我們今天賴以生存的星球。另一方面，暗物質也不能太多，不然星球形成就太多太快了。用這種方法推算，暗物質應不太多也不太少，佔宇宙物質總量的20~30%正合適。這是1990年代初的事，各種搜尋暗物質的實驗（包括DAMA）就此開始了。
加速膨脹的宇宙
有關暗能量的歷史更長。不同於暗物質，暗能量最早來自理論猜測。第一篇現代宇宙學的論文，即愛因斯坦1917年2月8日發表的論文中，引進了一個新物理參數，他稱之為「普適的，但如今尚屬未知的常數」。這就是後來稱為宇宙常數，再稱為暗能量的濫觴。愛因斯坦引進一個未知常數的目的，是為了使他的理論能描繪出一個靜態的宇宙。因為在他那個時代，宇宙的靜態和永恆是天經地義的事。1929年，哈伯（E. Hubble）發現，宇宙並非靜態，而是在膨脹。從此，愛因斯坦就丟棄了宇宙常數，終其一生，極不喜歡這個數。
宇宙常數的確不十分討人喜歡，它的性質極為反常。普通的物質（重子及暗物質）具有正的質量和正的壓力，而對宇宙常數來說，如果它的質量是正的，壓力就是負的。反之，如果壓力是正，質量就是負。所以，宇宙常數在宇宙學中的待遇並不好，它常常被假定為零，即不存在。
然而「一個有害的妖魔，一旦放出瓶子，就不容易重新禁錮起來。」（《引力論》，麥思納等著）的確，宇宙常數是否存在不是取決於任何人的好惡。時下的結論是，宇宙常數不僅不能遺棄或禁錮，而且，它才真正是現今宇宙的主導。同樣在1990年代初，天文學家在研究星體形成時發現，當宇宙中有70%的質量來自於宇宙常數時，這會是一個很好的模型。它能統一、協調地解釋許多不同的觀測結果。不過那時還沒有旁證，特別是當時還沒有證實宇宙常數的一個最主要的效應：宇宙加速膨脹。由正質量正壓力物質構成的宇宙，膨脹總是減速的，而如果宇宙質量由宇宙常數主導，膨脹便會加速。
檢驗加速減速最直接的方法，就是比較宇宙早期和晚近的膨脹速度。觀察早期宇宙，要靠極亮的天象，超新星爆發就是其中一種。根據北宋天文官員的記錄，公元1054年銀河系中的一個超新星爆發，「晝見如太白……色赤白，凡見二十三日」，這個超新星爆發的遺跡稱為蟹狀星雲。1995年超新星宇宙學研究開始起步，它的主要工作是搜尋在遙遠星系中的超新星爆發；到了1998年，已經發現了數十個這類爆發。從這些成果的確可以得出宇宙膨脹愈來愈快的結論。從此，70%的宇宙質量由宇宙常數主導，便成為主流模型，這個量也改稱為暗能量。
大宇宙對小粒子
暗物質和暗能量一共佔宇宙質量的96%（24%+72%），而它們到底是什麼東西，如今尚屬未知。成千的粒子物理學家正在這個領域努力工作，以爭頭功，理論家也提出了各種各樣的猜測和預言。目前流行的看法是，暗物質可能是某種或某些相互作用極弱的重粒子，而暗能量就是真空的能量。所以，實驗物理學家便致力於建造極靈敏的探測器，以捕捉暗物質粒子。為了壓低干擾，這些實驗大都設在隧道裡、礦井下或海水中。
天文物理學家對於粒子並不怎麼熱中；不過，對於粒子物理的結果，宇宙學家時有「否決權」。這就是以大制小。在已知的粒子中，最有可能是暗物質的就是微中子。這種粒子的作用很弱，可以穿越地球，而且數量很多。按照宇宙學的理論，平均每立方公分中約有100個微中子（這就是說，在你身體的範圍裏，少說也有10萬個）。所以，只要每個微中子的質量夠小，24%的數量很容易達到。1980年代，至少前後兩次，有粒子實驗物理學家聲稱偵測到微中子的質量。如果屬實，暗物質就應是微中子了。然而宇宙學家不相信這個結果，因為如果宇宙質量由微中子主導，星體的形成就有問題。後來果然證實，兩個實驗都不成立。最近，粒子實驗再度發現微中子可能是有質量的，不過這個值遠小於宇宙學家的否決的範圍。
一般而言，宇宙學不能或很難對粒子物理論斷提供有效的證明，但是它往往能提供有效的否證。換言之，宇宙學對微觀物理是個有力的殺手。「不被宇宙學所否決」是當今粒子物理必須通過的檢驗，這就是受到暗物質、暗能量問題的刺激，所發展出的粒子宇宙學（particle cosmology）或宇宙粒子物理學（cosmological particle physics）。
最後，不能不提到一些相反的看法。自從暗物質的問題一出現，就有人提出，根本沒有暗物質，而是重力理論必須修改。修正了重力理論，暗物質的證據就消失了。最近又有人提出，70%的宇宙常數或暗能量也不需要，因為那是重力在大尺度上變弱，所以看起來像是有宇宙暗能量。不管抱持哪種觀點，科學家仍具有一個基本共識，那就是物理學對宇宙成份的了解，不能只停留在其中的4%，而對其餘的96%所知有限，或根本無知。也許有一天，我們終將揭露宇宙大船中匿藏的大量黑貨；但我們也有可能發現，那不是黑貨，而是通向新物理學的門檻。
【本文轉載自《科學人雜誌》2003年4月號】
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