宇宙构成的比例，天文学界已给出常用数字：常规物质占 4%，暗物质占 23%，暗能量占 73%。前三者中，只有 4% 是人类已经建立完整理论描述的部分。

## 天王星轨道偏差与看不见的引力源

万有引力定律提出后，用它解释太阳系行星运动在多数情形下成立。天王星的实测轨迹与理论预报出现明显差异。当时有两种可能：引力规律本身需要修正，或者太阳系里还有一颗没被记录的行星，它的引力拉扯改变了天王星的实际路径。按计算预测的位置，1846 年 J.G.Galle 找到了海王星。

20 世纪 30 年代前后，天文学家在测量星系团内星系的速度时遇到相似问题。观测到的星系运动速度高于按可见发光物质质量推算的预期值，仅靠这些能看见的星系产生的引力场，无法把成员星系束缚在星系团内。当时的估算还没有把星系团中大量 X 射线气体计入，这批气体后来被确认为星系团普通物质的主体。仅按发光部分计算引力不足，推论就转向还有另一类不发光、但贡献引力的物质。

这类物质从未被直接 “看到”。判断依据来自它对可见物质运动的影响。此后数十年，多项天文观测从不同角度给出间接支持。

目前被广泛采用的说法是：暗物质可能由一种不参与电磁相互作用的全新粒子构成，不发出电磁波，因此不可见；它与普通物质一样产生引力。已知粒子中的质子、电子、中子，都无法对应这类角色。

## 每秒 220 公里的穿身而过

暗物质的 “暗”，除不发光以外，还有探测难度。按估算，每天可能有几万亿个暗物质粒子以高速穿过人体，不留下可察觉的痕迹。运动速度约 220 千米 / 秒；作为对照，56 式半自动步枪子弹出膛速度约 700 米 / 秒，暗物质粒子速度是它的 300 倍左右。

候选模型不只一种。惰性中微子温暗物质、引力微子温暗物质、轴子冷暗物质，都曾在理论层面被讨论过。研究投入最多、粒子物理学家更看好的是弱作用重粒子（WIMP）。这条路径的优势在于，该粒子与普通物质存在弱相互作用，理论上具备可探测性；其他模型中与普通物质耦合更弱，在现有实验条件下被捕捉的概率更低。

## 三条探测路线

天文观测是最早使用的方法，能够测出暗物质的总量分布与引力效应，回答不了 “暗物质由什么粒子构成”。

间接探测寻找暗物质粒子相互碰撞、湮灭之后产生的普通物质粒子信号，观测手段包括地面望远镜与太空望远镜。

直接探测测量暗物质粒子与原子核碰撞留下的反冲信号。这类信号极弱，地面上宇宙射线通量很大，会在探测器中形成大量干扰，降低鉴别能力。地下实验室的岩层能屏蔽掉大部分宇宙射线，探测器在低本底环境中运行。这一思路与锦屏、格兰萨索等地下实验室的选址逻辑一致。

阿尔法磁谱仪 2 号（AMS-02）是目前灵敏度最高、结构最复杂、造价最高的一台暗物质探测设备，安装在国际空间站上，测量宇宙线中的正电子、反质子、反物质核素等成分比例。此前多个实验都曾出现过 “反常” 迹象，被怀疑与暗物质有关；受灵敏度限制，这些迹象没有一项被确认为暗物质信号。

## 标准模型覆盖不到的部分

对 4% 的常规物质，物理学有一套完备的描述框架，即标准模型。标准模型的粒子谱与相互作用，无法解释宇宙中暗物质的现象。这留下两块待填补的内容：物质的基本组元与基本结构，是否存在标准模型之外的粒子；星系、星系团这类大尺度结构，在宇宙演化过程中如何形成，暗物质的引力在其中起什么作用。

历史类比在文献里反复出现：19 世纪末 20 世纪初的物理学状况，与今天对暗物质问题的处境有相似之处，相对论与量子力学正是在那个阶段建立。日心说、万有引力定律、相对论、量子力学之后，暗物质被视为下一个可能改变认识框架的方向。

寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、追溯宇宙起源与演化，把粒子物理与宇宙学放在同一张桌面上，已经成为 21 世纪天文学与物理学的主要交叉方向之一。各国在这条线上投入人力、物力与财力，组织跨学科攻关。

## 一台谱仪能测到什么

AMS-02 的观测方式是持续接收宇宙线事例，按刚度区分正负电荷粒子，统计正电子比例随能量的变化曲线。2013 年起公布的数据中，正电子比例在特定能段出现上升，随后在更高能段趋于平缓。正电子超额可以来自脉冲星，也可以来自暗物质湮灭；两种来源在能谱形状上的差别，需要更长时间、更大统计量才能分辨。

地下直接探测实验的进展以 “曝光量” 计，单位是吨・年。探测器体积逐年扩大，本底控制从材料纯度、岩层屏蔽、反符合系统多处同时压低；至今没有出现被多个独立实验共同确认的 WIMP 事例。

暗物质占宇宙构成的比例、星系团的速度弥散、宇宙微波背景的功率谱、大尺度结构的形成模拟，这些观测彼此独立，指向同一个缺口。至于这个缺口由哪种粒子填上，目前的数据还没有给出答案。