儘管我們周圍充斥著恆星、星系、氣體、塵埃等，宇宙中所有基於原子的「普通物質」僅占總能量的5%。剩餘的能量則由暗物質(27%)和暗能量(68%)構成。暗物質在塑造宇宙的大尺度結構、維持星系和星系團的完整性等方面扮演著至關重要的角色。很多人曾想，我們能否簡單地修改引力理論，從而完全不需要暗物質？答案是否定的，因為如果想同時解釋這五大關鍵證據，就必須承認暗物質的存在。
在科學領域，非主流理論的倡導者會時不時地努力為其注入新的活力，即使這些理論不如主流理論那樣能很好地解釋現有證據。有時，新的證據浮現，確實對主流理論提出了挑戰，要求重新評估那些曾被拋棄的替代方案；有時，一系列令人驚訝的觀測結果支持了一個曾被否定的理論，使其重新受到關注。然而，另一些時候，推動非主流觀點的並非新數據，而是一種錯誤的敘事：那些已被主流專業人士合理駁斥的似是而非的論點，突然在一批缺乏經驗的年輕一代或未接觸到支持共識立場的廣泛主流事實的局外人中流行起來。
除非你具備必要的專業知識來準確、全面地診斷所提出的觀點，否則幾乎不可能區分這些情況。近幾年，這些似是而非的論點越來越受歡迎。例如，一位著名的持相反觀點的物理學家曾在文章和視頻中表示，圍繞暗物質的形勢已經發生變化，現在修改引力理論理應得到同等的重視。最近，另一位知名物理學家也提出了類似的、關於暗物質不存在的令人懷疑的論點。
然而，除非你選擇性地忽略我們已有的絕大多數宇宙證據，否則你會發現這些斷言根本站不住腳。以下是關於暗物質的五大事實，了解它們能幫助你識破那些試圖對這個宇宙學最大謎題之一散布不必要疑慮的人所提出的虛假等價性。
1.宇宙中「普通物質」的總量被明確地知曉
你仰望宇宙，那裡充滿了恆星、星系、氣體、塵埃、等離子體、黑洞等等，你可能會想，是否還有更多「已知物質」隱藏著。畢竟，如果我們觀察到的引力效應超出了我們所能解釋的範圍，也許只是某些看不見的質量在起作用。這種「只是變暗了的普通物質」的想法，曾是阻礙暗物質在20世紀中後期被主流宇宙學接受的主要障礙之一。
宇宙中確實存在大量的氣體和等離子體，你可能會猜測，如果它們足夠多，我們就根本不需要某種全新的物質。也許，如果中微子質量足夠大，它們就能填補缺失的能量缺口。或者，如果宇宙誕生時物質過多，部分物質在早期就坍縮形成了黑洞，這也能解決我們所看到的宇宙不匹配問題。
但是，所有這些猜想都是不可能的，因為宇宙中普通物質的總量已被明確確定：僅占臨界密度的4.9%，且誤差僅為±0.1%。
關鍵的觀測限制來自於對輕元素豐度的測量：
*氫
*氘
*氦-3
*氦-4
*鋰-7
在熾熱大爆炸的最初幾分鐘，這些輕元素在早期宇宙的核火爐中鍛造而成：當時條件足夠熱和緻密，允許輕原子核之間發生關鍵的核聚變反應。我們獲得的每種元素的量，高度依賴於早期時刻宇宙中普通物質的總量，具體來說，取決於一個屬性：重子與光子的比例。正是這個參數決定了元素的預測豐度，而由於我們已經測量了宇宙大爆炸遺留輝光(即宇宙微波背景輻射)的輻射密度，測量輕元素的豐度就可以非常清晰地告訴我們宇宙的重子密度是多少。
截至目前，這些豐度已通過對氣團的光譜測量直接確定，也通過對宇宙微波背景輻射的詳細觀測間接確定。這兩種測量都指向同一個結論：宇宙能量的4.9%±0.1%以普通物質的形式存在。
這意味著由重子形成的黑洞不可能構成暗物質的很大一部分。我們知道大爆炸核合成對中微子的依賴性，並且只允許存在電子、繆子和陶子這三類中微子，因此中微子也不可能是暗物質。事實上，標準模型中的任何粒子都無法勝任。但這個關鍵事實是無法被正當質疑的：根據我們確定的普通物質數量，要與我們的宇宙學觀測保持一致，就必須存在一種新的基本成分。我們稱這種成分為「暗物質」，它必然存在。
2.沒有暗物質，無法解釋宇宙微波背景或宇宙的大尺度結構
想像一下宇宙在最早期的階段：熾熱、緻密、幾乎完美均勻，同時不斷膨脹和冷卻。一些區域天生密度稍高，它們會優先吸引子質，試圖通過引力增長。由於引力始終是吸引的，密度最大的初始區域會優先將周圍越來越多的物質吸入自身。
隨著引力作用，密度開始增加，這是預料之中的。但這也會產生另一個效應：導致內部輻射壓力隨之增加。這種增長在早期不可能永遠持續，因為輻射攜帶著大量的能量並施加顯著的壓力。最終，引力增長會導緻密度達到峰值，從而使光子(輻射粒子)流出該區域，隨後密度又會下降。
隨著時間的推移，較大的區域可以通過坍縮開始增長，而較小的區域則經歷坍縮、稀疏、再次坍縮的振盪過程。這種行為會在大爆炸遺留輝光中形成一個溫度不均勻性的頻譜，並最終形成結構(恆星、星系和宇宙網)生長的種子。但是，一個既有暗物質又有普通物質的宇宙，與一個只有普通物質的宇宙，其在宇宙微波背景和宇宙大尺度結構方面會表現出不同的行為。
這兩種情景——有暗物質和無暗物質——之所以會產生不同的溫度波動頻譜，是因為兩者之間的物理學是不同的。當然，它們也有共同點：
*暗物質和普通物質都會產生引力。
*密度的增加都會導致輻射壓力的增加。
*輻射都會流出由普通物質、暗物質或兩者共同組成的超密度區域。
但普通物質會與其他普通物質碰撞並與光子相互作用，而暗物質對這一切都是「隱形」的：它不碰撞、不粘附、不與普通物質或光子交換能量。結果，一個存在暗物質的宇宙，其宇宙微波背景頻譜以及大尺度結構的功率譜中，波動峰谷的數量是僅有普通物質的宇宙的兩倍。
明確且毋庸置疑地，暗物質是必需的。具體來說，這種暗物質必須是冷的、非碰撞性的(至少與普通物質和光子之間是非碰撞的，儘管它可能與自身碰撞)，並且對電磁輻射是不可見的。換句話說，它不能是普通物質，也不能是標準模型中的任何粒子。如果你想提高你的懷疑度，請留意那些試圖在沒有暗物質的情況下解釋宇宙微波背景或物質功率譜的非主流論文；它們很可能會添加一些東西——比如大質量中微子、惰性中微子，或者一個具有特定耦合的額外場——其功能與暗物質的行為沒有區別。
（示意圖）
3.暗物質表現為粒子，這與表現為場有著本質區別
最近，那些試圖對暗物質散布疑慮的人又在推銷另一種似是而非的敘事：因為粒子只是量子場的激發，所以添加一個新的量子場(或修改引力場)可以等同於添加新的(暗物質)粒子。這是一種最糟糕的論點：它包含了一點技術上的真相，但卻誤導了問題的核心要點。
核心要點是：場在物理學中是非常普遍的實體，它們瀰漫於整個空間。它們可以是均勻的(處處相同)或團塊狀的；可以是各向同性的(所有方向相同)或具有優先方向的；它們可以與某些其他扇區耦合(即相互作用)，也可以與它們解耦(即非相互作用)。相比之下，粒子可以是無質量的，在這種情況下，它們必須表現得像輻射；或者它們可以是有質量的，在這種情況下，它們必須表現得像我們熟悉的有質量粒子。如果我們處理的是一個有質量的粒子系統，那麼這些粒子將：
*聚集成團
*產生引力
*展現出已知的、動能與勢能之間的關係
*具有有意義的粒子屬性，如截面、散射振幅和耦合
*並且至少遵循現已知的物理定律而運作。
正是基於這些原因——基於我們僅從天體物理觀測中推斷出的暗物質的所有特性——我們得出結論，暗物質本質上是類粒子的。這並不意味著它不能是：
*一種無壓流體
*一種團塊狀的「塵埃」
*或者它的截面在除引力外的所有相互作用下必須為零。
然而，它的確意味著，如果你試圖用一個場來取代暗物質粒子的情景，那麼這個場必須如何運作就存在限制。特別是，你用來取代暗物質的場，從天體物理學的角度來看，其行為方式必須與一大群有質量粒子的行為無法區分。
暗物質不一定非得是粒子，但聲稱「它可以像場一樣容易地是粒子」，卻忽略了一個巨大的真相：暗物質的行為方式，恰恰符合我們對一種新的冷、有質量、非散射粒子群體的預期。你可以讓它成為一個場，但它必須是那種在行為上與暗物質粒子無法區分的場。尤其在大的宇宙尺度上，例如星系團(約10到20百萬光年)及更大的尺度上，這種類粒子行為只能被一種行為與粒子暗物質無法區分的場所取代。
4.必須解決並考慮真實的小尺度物理效應，如動力學加熱、恆星形成和反饋
暗物質存在的問題——或者說，冷、非碰撞暗物質的預測與觀測結果發生衝突的情況——幾乎完全發生在小的宇宙尺度上：即單個大星系及更小的尺度。確實，某些引力修改可以在這些尺度上更好地匹配許多觀測結果。但這其中有一個「骯髒的秘密」：在這些小尺度上存在著複雜的物理過程，每個人都承認尚未得到妥善的解釋。在我們能恰當地解釋它們之前，我們無法判斷修改引力或暗物質方法是成功還是失敗。
這項工作非常困難！當物質坍縮到一個大質量天體的中心時，它會：
*失去角動量
*加熱
*可能觸發恆星形成
*這導致電離輻射
*輻射將普通物質從中心向外推
*這會在引力上「加熱」中心的暗物質
所有這些都需要計算在內。此外，我們目前只考慮了最簡單的暗物質情景：純粹的冷、非碰撞，沒有外部相互作用或自相互作用。當然，我們可以在添加冷、非碰撞暗物質的同時修改引力，或者我們可以問：「暗物質可能擁有什麼樣的相互作用特性，才能導致我們觀測到的小尺度結構？」這些方法同樣有效，但兩者都需要暗物質的存在——無論你是否稱之為暗物質——並且必須考慮這些已知且真實的效應。
重要的是，單個星系並不一定為修改引力提供比暗物質更有力的支持；而且，如果你試圖僅從普通物質分布推斷星系屬性，它只對宇宙中存在的某些子類型的星系有效，而不能適用於我們發現的所有類型的星系。
5.必須解釋全部的宇宙學證據，否則就是「斷章取義」，而非真正的科學
這是一個極其重要且需要反覆強調的觀點：我們擁有關於宇宙的全部數據，你在得出結論時必須將其全部考慮在內。這包括以下例子：
*你必須觀察宇宙微波背景中的所有七個聲學峰，而不僅僅是前兩個。
*你必須誠實地評估你所添加的替代「事物」(用來代替暗物質)是否等同於暗物質且無法區分。
*你不能以犧牲對暗物質成功解釋的大尺度特徵為代價，來修改引力定律以解釋小尺度特徵。
*你不能將那些顯然已經發生(但並非被禁止)的、統計上不太可能的結果挑選出來，作為主要理論錯誤的「證據」(參見宇宙微波背景中低四極/八極矩多年來徒勞無功的努力)。
*你不能過度簡化和錯誤地描述你的非主流方法試圖取代的主流理論的成功之處。
請記住，想要推翻和取代一個舊的科學思想，你必須跨越的第一道障礙是重現舊理論的所有成功。我們可能確實需要一個新的引力定律來解釋我們的宇宙，但你不能以一種暗物質不再被需要的方式來做到這一點。
關於暗物質和在小尺度與大尺度上修改引力的問題，有一些非常重要的觀點是你絕不應該忘記的。在最大的宇宙尺度上，只有引力效應在起作用，它們代表了測試宇宙學物理學的「最乾淨」的天體物理實驗室。在較小的尺度上，恆星、氣體、輻射、反饋以及由普通物質物理學產生的其他效應起著極其重要的作用，而模擬仍在不斷改進中。我們尚未達到能夠明確處理小尺度物理學的階段，但大尺度的物理學已經存在了很長時間，並果斷地指向暗物質，排除了所有行為明顯不同於暗物質方法的修改引力理論。
愚弄自己最簡單的方法，就是在沒有考慮所有作用因素的情況下，得到了一個正確的答案。以錯誤的原因得到了正確的答案——特別是如果你能檢查出答案是正確的——這是讓你相信自己發現了重大發現的最可靠方式，即使你捕捉到的僅僅是你未能考慮進去的重要物理效應。雖然我們不知道引力定律最終是否需要修改，但我們可以確信，就我們宇宙中的物質而言，其中大約85%確實是暗的。
