举起你的手。你看到的皮肤、骨骼、血液——由原子构成，原子由质子、中子、电子构成。这些粒子，物理学称之为"重子物质"，也就是"正常物质"。你、地球、太阳、银河系里4000亿颗恒星、可观测宇宙里2万亿个星系——所有这些加在一起，占宇宙总质能的5%。另外95%，我们给它起了两个名字：暗物质和暗能量。但我们不知道它们是什么。
第一节
旋转曲线：暗物质的第一个线索
1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基在观测后发座星系团时发现了一个奇怪的现象：星系团边缘的星系运动速度太快了。根据可见物质的质量计算，这些星系的引力根本不足以拉住它们——它们应该被甩飞。但它们没有。兹威基推断，一定有某种看不见的物质提供了额外的引力。他称之为"dunkle Materie"——暗物质。
真正让这个想法无法忽视的，是1970年代薇拉·鲁宾的观测。她测量了仙女座星系及其他旋涡星系中恒星的旋转速度。根据牛顿引力定律，距离星系中心越远的恒星，旋转速度应该越慢——就像太阳系里海王星比水星慢得多。但鲁宾发现：星系边缘恒星的旋转速度几乎没有下降。它们保持着和内部恒星差不多的速度高速旋转。
这意味着什么？要么有大量看不见的物质包裹着每个星系，提供额外引力；要么牛顿引力理论在大尺度上出了问题。绝大多数物理学家选择了前者——暗物质存在，而且比可见物质多五倍以上。
暗物质：约 26.8% — 有引力作用，不发光不吸光，至今未被直接探测到
暗能量：约 68.3% — 驱动宇宙加速膨胀的未知能量，均匀填满整个空间
来源：普朗克卫星（2018）对宇宙微波背景辐射的精确测量
第二节
引力透镜：暗物质的隐形指纹
暗物质不发光、不吸光、不与电磁力发生任何已知相互作用——那我们怎么"看到"它？答案是引力。根据广义相对论，大质量物体会弯曲周围的时空，让经过的光线偏折。这个效应叫"引力透镜"。
当天文学家观测遥远星系时，如果前景有大质量天体（比如星系团），背景星系的光会被弯曲，形成弧形、环形甚至多重像。通过测量这种偏折的程度，可以精确计算前景天体的总质量——包括看不见的暗物质。
结果令人震惊：引力透镜计算出的星系团质量，比可见物质质量高出5-7倍。更惊人的是，2006年对"子弹星系团"（Bullet Cluster，1E 0657-56）的观测，拍到了暗物质和普通物质分离的直接证据——两个星系团碰撞时，普通气体因摩擦减速堆积在中间，而暗物质因为几乎不相互作用，径直穿过去了。这是暗物质存在的最强直接证据之一。
第三节
暗能量：一种比暗物质更诡异的未知
如果说暗物质至少还"表现"得像物质——有质量、有引力——那么暗能量则更加匪夷所思。1998年，两个独立研究团队（由索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯领导）通过观测遥远Ia型超新星，发现了一个颠覆性的结论：宇宙的膨胀正在加速。
这完全出乎意料。引力应该让宇宙膨胀减速，就像扔上天的球会被拉回来。但数据明确显示，大约60亿年前开始，宇宙膨胀的速度不仅没有减慢，反而越来越快。有什么东西在对抗引力，把空间本身往外推。这个"什么东西"被命名为暗能量。
2011年的诺贝尔物理学奖颁给了这个发现。但直到今天，我们对暗能量的本质几乎一无所知。最简单的解释是宇宙学常数（Λ）——真空本身具有的能量密度，是广义相对论方程里爱因斯坦曾引入又后悔删除的那一项。但量子场论估算的真空能量密度比观测值大了120个数量级——这被称为"物理学史上最糟糕的预测"。
暗能量是现代物理学面临的最大挑战。我们给它起了名字，但起名字不等于理解。这就像给一个从未见过的人取个绰号——你以为你认识他了，其实你只是在掩饰自己的无知。
— 迈克尔·特纳，宇宙学家第四节
候选粒子与宇宙网
暗物质可能是什么？最主流的候选者是WIMP（弱相互作用大质量粒子）——一种质量比质子大上百倍、但几乎不与普通物质发生弱力以外任何作用的假想粒子。几十年来，物理学家在地下实验室（如中国锦屏地下实验室PandaX、美国LUX-ZEPLIN）用超纯液氙等待WIMP的碰撞信号，至今一无所获。
另一个候选者是轴子（axion），质量极小，数量可能极其庞大。ADMX实验正在寻找轴子转化为微波光子的信号。还有人提出原初黑洞——诞生于宇宙早期的微型黑洞——可能是暗物质，但观测对其质量范围施加了严格限制。
而暗物质在大尺度上的分布，通过计算机模拟已经非常清楚：它构成了一个巨大的"宇宙网"（cosmic web），由纤维状的暗物质丝连接着节点处的暗物质晕。普通物质沿着这些暗物质骨架流入节点，在那里点燃恒星、组装星系。你和银河系的一切，都挂在这张看不见的网上。
科学争议
暗物质真的存在吗？
子弹星系团的引力透镜观测显示，质量和可见气体明显分离——这是修改引力理论极难解释的。宇宙微波背景辐射的功率谱、大尺度结构形成的模拟，都强烈依赖暗物质的存在。如果没有暗物质，宇宙中不会有足够时间形成我们今天看到的星系。
MOND（修正牛顿动力学）理论由莫德海·米尔格罗姆于1983年提出，在解释单个星系旋转曲线上表现出色，且无需引入暗物质。近年来TeVeS、EMOND等扩展版本试图覆盖星系团尺度。支持者认为，引入一种看不见占95%的物质，不如反思我们是否真的理解引力本身。
思考测验
你现在正坐在某个星球上，周围的一切——桌子、屏幕、窗外的天空——只占宇宙的5%。你所有的科学实验、所有的人生经验、所有你以为是"现实"的东西，都建立在这5%之上。另外95%，用了一百年我们才隐约知道它在那里，却至今不知道它是什么。这不是恐惧的理由，而是谦卑的理由——我们对宇宙的了解，才刚刚开始。
