盡管科學家更喜歡簡單的想法，但簡單的想法往往不能囊括全部。

不論是外行還是科學家自身，在評價科學方案時都經(jīng)常使用“奧卡姆剃刀”作為指導。這個經(jīng)常被提及的原則是指：在解釋一種現(xiàn)象時，最簡單的理論極有可能是最好的。它用聽起來很合理的邏輯指出，在更精簡的方案存在的情況下，再構(gòu)建一個復雜的結(jié)構(gòu)并不是什么好想法。

不過，有兩個因素會削弱“奧卡姆剃刀”的權(quán)威，至少，它們提醒我們在把“奧卡姆剃刀”作為“拐杖”使用時要謹慎一些。我曾艱難地學會了小心使用這些“拐杖”——在心理上和生理上都是，為了復原受傷的腳踝，我曾經(jīng)使用過拐杖，由于使用姿勢不正確，導致我胳膊上的神經(jīng)受損。同樣，那些服從“奧卡姆剃刀”原理的理論，會在解決一個顯著難題的同時，在其他地方產(chǎn)生問題——通常是這個理論的其他方面。

最好的科學原則總是應該解釋盡可能廣泛的觀測，或者至少與之保持一致。真正的問題是，什么才能夠最有效地解決整個體系中無法解釋的現(xiàn)象。一個起初看起來簡單的解釋，在面臨更多問題的時候，可能會演變成魯布·戈德堡（Rube Goldberg）^[36]式的漫畫。另一方面，一個解釋可能在應用到最初的問題時顯得過分煩瑣，但通過科學的眼光來看，也許會顯露出它隱藏的優(yōu)雅。

我對“奧卡姆剃刀”的第二個顧慮與一個真相有關(guān)。這個世界比我們?nèi)魏稳怂軌蛟O(shè)想的都更為復雜。一些粒子及其特征似乎于任何重要物理過程而言，都無關(guān)緊要——至少迄今為止我們發(fā)現(xiàn)的是這樣，但它們依然存在。有時候，最簡單的理論并不一定是正確的那個。

第18章提到的“關(guān)于暗物質(zhì)的辯論”的會議中，多次對這個話題進行了討論。在關(guān)于可觀測到但卻無關(guān)緊要的粒子的報告中，粒子物理學家娜塔莉亞·多羅（Natalia Toro）辯稱，一個比“奧卡姆剃刀”更恰當?shù)睦碚撝笇恰巴栠d的手術(shù)刀”（Wilson’s Scalpel）。她用物理學家肯·威爾遜（Ken Wilson）來命名。威爾遜開發(fā)了一個大體框架，來理解如何通過只用可測量元素來做科學實驗。娜塔莉亞提出，以威爾遜名字命名的手術(shù)刀可以用來調(diào)整（而不是剔除）一個理論。無論我們能否將其歸屬于某個基本的意義，都要完好地留下所有的可測試元素。當我接著她發(fā)言時，我開玩笑地建議“瑪莎的桌子”（Matha’s Table）原則才是一個更好的概念。至少你不會在餐桌上只擺刀子。你會擺放上能讓你優(yōu)雅地吃上一頓飯所需要的所有餐具。若擁有瑪莎·斯圖爾特（Martha Stewart）^[37]的才華，你可以讓一切保持井然有序，不論你要布置多少盤子和銀器。

科學同樣也需要合理的擺桌——用一個理論來解釋許多我們觀測到的現(xiàn)象。盡管科學家更喜歡簡單的想法，但簡單的想法往往不能囊括全部。

以上討論是對我接下來要介紹的理論的一個序曲。這種被我與合作者稱為“部分相互作用暗物質(zhì)”（partially interacting dark matter）的概念，引出了“雙盤暗物質(zhì)”（double-disk dark matter, DDDM）這一類模型。兩種體系的模型都認為，暗物質(zhì)的結(jié)構(gòu)也許并不簡單。就像普通物質(zhì)的粒子一樣，暗物質(zhì)粒子也許不止一種。具有不同類型相互作用的新型暗物質(zhì)也許是存在的，未來也許能被觀測到前所未料的結(jié)果。即使具有相互作用的只是很少一部分暗物質(zhì)，它們也可能對太陽系和銀河系產(chǎn)生重要影響，也許對恐龍也產(chǎn)生過影響。

盡管我們知道普通物質(zhì)僅占宇宙總能量的5%，約占全部物質(zhì)的17%（剩下的部分由暗能量組成），我們?nèi)匀徽J為普通物質(zhì)是重要的組成成分。盡管普通物質(zhì)在總能量組分上微不足道，但除了宇宙學家外，人們的關(guān)注點都在普通物質(zhì)上。

當然，我們更關(guān)注普通物質(zhì)是因為我們由它組成——我們生活在有形的世界中。但我們關(guān)注它也是因為它具有豐富的相互作用。普通物質(zhì)的相互作用有電磁力、弱相互作用力和強相互作用力，幫助周圍世界中的可見物質(zhì)形成復雜致密的系統(tǒng)。不只是恒星，也包括巖石、海洋、植物以及動物，它們的存在都是因為普通物質(zhì)在通過自然界這種非引力相互作用。就像是在啤酒中只有很少量的酒精，喝多了照樣能讓人大喊大叫一樣，攜帶了很少能量密度的普通物質(zhì)，相對于僅僅會路過的天體，會更明顯地影響它自身以及它周圍的環(huán)境。

我們熟悉的可見物質(zhì)可以被認為是物質(zhì)中有特權(quán)的一部分，約有15%。正如在政治和經(jīng)濟中，有影響的1%人口主導了決策和政策的制定，而剩余99%的人口則提供基礎(chǔ)設(shè)施支持和其他各種支持，例如維修建筑、保證城市運轉(zhuǎn)、為人類的餐桌提供食物等。同樣，普通物質(zhì)幾乎主導了我們所有的觀測；而暗物質(zhì)，雖然豐富且無處不在，幫助創(chuàng)造了大星系團和星系，促進了恒星的形成，卻對此刻我們周圍的環(huán)境影響有限。

對于近鄰結(jié)構(gòu)，普通物質(zhì)在起主導作用。它支配著我們軀干的運動，社會經(jīng)濟的能量來源，你讀這本書時面對的電腦屏幕或者紙張，以及任何你能想到的和關(guān)心的東西。如果某些事物都有可被測量的相互作用，它就值得被關(guān)注，因為它會更快地影響周圍的事物。

在通常的理論中，暗物質(zhì)缺乏這種有意思的作用和結(jié)構(gòu)。一個通常的假設(shè)是，暗物質(zhì)是連接星系和星系團的“膠水”，但只存在于其周圍非固定形態(tài)的云中。但有沒有可能，這個假設(shè)不對，只是我們的偏見和無知造成的，從而讓我們走上了這條可能是錯誤的路？如果一部分暗物質(zhì)就像普通物質(zhì)那樣也存在相互作用，又會怎樣呢？

標準模型包含6種不同的夸克，包括電子在內(nèi)的3種帶電輕子、3種類型的中微子。這些粒子都會承載力，包括最新發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。如果暗物質(zhì)的世界——即使沒那么普遍，粒子類型也相當豐富呢？在這種情況下，大部分暗物質(zhì)的相互作用可以被忽略，但少數(shù)會像普通物質(zhì)那樣受力相互作用。標準模型中粒子和力的豐富而復雜的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了許多有意思的現(xiàn)象。如果暗物質(zhì)中也有一種會相互作用的成分，這個成分也許會產(chǎn)生一定的影響。

如果我們是由暗物質(zhì)組成的生物，并假設(shè)普通物質(zhì)的粒子都為同一種類型，那么我們將大錯特錯，也許我們這些由普通物質(zhì)構(gòu)成的人類在犯著同樣的錯誤。標準粒子模型描述了大部分我們所知物質(zhì)的基本成分，鑒于其復雜程度，假設(shè)所有的暗物質(zhì)只由一種類型的粒子構(gòu)成，是非常奇怪的。為什么不設(shè)想，一定比例的暗物質(zhì)在受它自己獨有的力呢？

在這種情形下，就像普通物質(zhì)包含了不同類型的粒子，且這些基礎(chǔ)組件通過不同的荷組合相互作用一樣，暗物質(zhì)也許有不同的基礎(chǔ)組建，并且在這些完全不同的新粒子類型中，至少一種可以發(fā)生非引力相互作用。標準模型中的中微子不會有強相互作用力和電力，但6種夸克可以。相似地，也許一種類型的暗物質(zhì)粒子會有微弱的或者沒有引力之外的相外作用，但是它的一部分（也許5%）會有。基于我們在普通物質(zhì)領(lǐng)域所了解到的，也許這種理論比通常假設(shè)的具有單一弱相互作用或無相互作用的暗物質(zhì)粒子更可行。

從事外交關(guān)系的人常會犯的一個錯誤是，一概而論地評價其他國家的文化，假設(shè)他們不像我們自己一樣擁有多樣化的社會。一個好的談判專家在試圖平等對待兩種不同的文化時，不會假設(shè)一個社會團體優(yōu)先于另一個。同樣，一個無偏見的科學家不應該假設(shè)暗物質(zhì)不像普通物質(zhì)那樣有趣，并假設(shè)它一定缺少物質(zhì)的多樣性。

科學作家科里·鮑威爾（Corey Powell）在《發(fā)現(xiàn)》雜志上報道我們的研究時，以宣稱他自己是“輕度物質(zhì)沙文主義者”來開頭，并且指出實際上每個人都是。他用這個詞來表示，我們常認為自己熟悉的物質(zhì)是目前最重要，也是最復雜有趣的。這種想法實際上已經(jīng)被哥白尼革命所顛覆^[38]。然而大部分人仍堅持臆想，他們關(guān)于自身重要性的觀點和信念，是與外部世界一致的。

普通物質(zhì)的許多組分具有不同的相互作用，對世界有不同形式的貢獻。所以暗物質(zhì)也許同樣有不同的粒子，有不同的行為，并可能會對宇宙的結(jié)構(gòu)具有可測量的影響。

我與合作者把這種小部分暗物質(zhì)會發(fā)生非引力相互作用的理論稱為“部分相互作用暗物質(zhì)”。我們第一次調(diào)研了最簡單的模型，它僅包含兩種成分：主導成分僅通過引力相互作用，是常規(guī)的暗物質(zhì)，存在于星系和星系團周圍的球形暈中；第二種成分也通過引力相互作用，但此外還有另一種類似電磁作用的力。

這兩類暗物質(zhì)理論也許聽起來有點怪異，但是請記住，同樣的描述方法也適用于普通物質(zhì)?？淇耸軓娤嗷プ饔昧Γ耠娮右粯拥牧Ｗ硬⒉皇苓@種力影響。這就是為什么夸克被束縛在質(zhì)子和中子中，而電子沒有。同樣，電子受電磁力影響，但中微子對之渾然不覺。所以，如果推翻我們慣用的沙文主義，允許暗物質(zhì)的世界有類似的多樣性，就不難想象，暗物質(zhì)的一部分也通過類似但不同于構(gòu)成我們的物質(zhì)的力相互作用。

不過請牢記，部分相互作用暗物質(zhì)與標準模型物質(zhì)有一點不同。比如，盡管電子不直接受強相互作用力，但它們可以和夸克相互作用，所以會受到間接影響。新提出的暗物質(zhì)粒子在它自己的相互作用中是完全孤立的，大部分暗物質(zhì)甚至不會受這種新引進的力的間接影響。我們還不知道暗物質(zhì)的成分之間是否會相互作用，甚至不知道暗物質(zhì)是否有多種成分。最初最簡單的假設(shè)是，只有新類型的電磁力和新的帶荷粒子受力外，沒有其他新的相互作用。在這種理論中，大部分暗物質(zhì)粒子完全不會受這種新型力的影響。

出于好玩，我把這種相互作用的暗物質(zhì)成分所受的力稱為“暗光”（dark light），或者稱其為“暗電磁力”（dark electroma-gnetism）。選擇這個名字是為了提醒其他人，這種新的暗物質(zhì)受到一種類似電磁力但又與我們世界的普通物質(zhì)無關(guān)的力。普通物質(zhì)帶電荷，所以它才能輻射和吸收光子；這種新型的暗物質(zhì)成分只能輻射和吸收這種新型的光，普通物質(zhì)則根本感覺不到它的存在。

這種暗電磁力會類似于平常的電磁力。但這是作用在一種全新粒子荷上的完全不同的作用，通過一種全新的粒子來傳遞——你可以稱其為暗光子（dark photon）。盡管這種新型的暗物質(zhì)成分不會和普通物質(zhì)相互作用，它會有自相互作用，從而使得它表現(xiàn)得像我們熟悉的普通物質(zhì)，也不會和其他暗物質(zhì)相互作用。

普通物質(zhì)和暗物質(zhì)都帶電并受力，但這些電和力并不相同。這些受新暗力影響的帶電粒子會彼此吸引或排斥，其形式就像普通帶電粒子的行為一樣。但是暗物質(zhì)層的相互作用會對普通物質(zhì)透明，因為暗物質(zhì)用它自己獨特形式的光作用，而不是通過我們熟悉的那種光。僅有暗物質(zhì)粒子會受這種新型力的影響。

盡管遵守著相似的物理學定律，也許在空間上也相互接近，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)依舊擁有著各自的世界。普通物質(zhì)和暗物質(zhì)甚至可以空間上重疊卻又無任何相互影響。它們會通過各自獨特的力相互作用，除了它們極其微弱的引力外，帶電普通物質(zhì)和帶電暗物質(zhì)對對方的存在都渾然不覺。

在同一位置的兩種類型的帶電粒子而不與對方相互作用，并非匪夷所思。這有點像普通物質(zhì)通過Facebook互動，而帶電的部分相互作用暗物質(zhì)模型通過Google+互動一樣。它們有相似的作用方式，但僅在各自的社交網(wǎng)絡上接觸?；影l(fā)生在一個網(wǎng)絡或者另一個上，但不會兩個都用。

我們再打一個比方。這就像是左派和右派各自的電視節(jié)目，他們遵循著差不多相似的程序規(guī)則，都能在同一個電視上播放，但是他們實體完全不同，并各自在加強自己確信的偏見。盡管他們形式類似，有采訪的主持人，有專家和嘉賓，用圖表闡述他們的觀點，并且在屏幕下方彈過隨機、無關(guān)的新聞快訊，但這兩類節(jié)目的真正內(nèi)容和結(jié)論以及其中的廣告非常不同。很少有相同的嘉賓或議題會同時出現(xiàn)在兩類節(jié)目上，他們的產(chǎn)品及擁護的參選人也會不同。

就像罕有個人用戶既看?？怂剐侣?，也聽NPR（美國國家公共電視臺）一樣，大部分（也許是全部）粒子會通過這種或那種力相互作用。這個模型就像是媒體一樣，提倡堅持一種觀點。即使理論上應該有一種中間態(tài)的粒子會參與兩種相互作用，但大部分粒子要么帶有一種類型的電荷，要么是另一種，因此相互之間不會傳遞作用。

公平地講，物理學家排斥接受暗物質(zhì)受到一種新型電磁力影響的觀點，并不僅僅是因為偏見。相互作用通常有可被探測的結(jié)果。物理學家對暗力和自相互作用暗物質(zhì)這種想法退避三舍，是因為他們認為這種理論很受限，甚至可以被排除。然而，如第18章中介紹的那樣，即使所有暗物質(zhì)都受這些力，這些限制條件也不會太嚴苛。但是，相互作用必須在觀測所得到的限制范圍內(nèi)才可以。

不過，如果只有少量暗物質(zhì)有自相互作用的話，限制就會弱一些?；叵胍幌玛P(guān)于自相互作用兩種類型的限制條件。第一種與暗暈自身的結(jié)構(gòu)相關(guān)：暗暈必須是球形的——僅有被稱為三軸結(jié)構(gòu)（triaxial structure）這一點非均勻性。第二種與暗暈的并合有關(guān)，舉個最著名的例子，子彈星系團，就是星系團并合的結(jié)果。氣體很清楚地位于中心區(qū)域，而從引力透鏡觀測到的暗物質(zhì)，無障礙地相互穿過并創(chuàng)造出兩個額外的半球結(jié)構(gòu)。這有點像米老鼠的兩個耳朵。

如果所有暗物質(zhì)都相互作用，那么這兩種限制都將非常顯著。但沒有哪個能清楚地告訴我們，是否只有一小部分暗物質(zhì)有相互作用。如果只有一小部分的成分相互作用，那么大多數(shù)的暗物質(zhì)暈會是球形的。相互作用也不會抹消三軸結(jié)構(gòu)，除非有相互作用的是主導成分，或者彌散比預期的大得多。

類似地，子彈星系團中的暗物質(zhì)和氣體比例也沒有好到能標記出很小一部分暗物質(zhì)成分，因為它們畢竟只是星系團的很小一部分。這種成分有可能會相互作用，并與氣體一樣留在中心區(qū)域——沒有更好的地方了。也許，將來這類關(guān)于子彈星系團的測量會精確到可以限制我所描述的部分相互作用理論。目前肯定的是，部分相互作用暗物質(zhì)依然是一個可行的、有希望的可能性。

我與新進入哈佛大學物理系的馬修·里斯以及兩個博士后范吉吉和安德雷·卡茨一起提出的這個想法，一開始并不明確。就像其他一些后來變得極為有趣的研究項目一樣，我們最終關(guān)注的并不是一開始想要研究的東西。而我們本來是在嘗試理解來自費米衛(wèi)星的一些有趣數(shù)據(jù)。費米衛(wèi)星隸屬于美國國家航空航天局的空間天文臺，用來掃描全天的伽瑪射線，這是一種比可見光和X射線能量更高的光。

大多數(shù)天體物理過程都會產(chǎn)生輻射，這些輻射在一個寬廣的頻率范圍上平滑分布。這說明，光子的數(shù)目不會在某個特殊波段顯著變化。所以當阿姆斯特丹大學的克里斯多夫·韋尼格（Christoph Weniger）及其合作者發(fā)現(xiàn)費米數(shù)據(jù)中的過量輻射全集中在單一頻率上時，這引起了我們以及許多其他物理學和天文學同行們的興趣。

韋尼格及其同事們辨認出的這個輻射密度（這里的輻射只代表光子和光）上的峰值顯示，它在星系中心出現(xiàn)，那里暗物質(zhì)高度聚集，但卻不可能是由常規(guī)的天體物理源產(chǎn)生的信號。在缺乏更常規(guī)的解釋或者一個錯誤的解釋的情況下，光子數(shù)的這個峰值只能代表某些新的東西。

最有趣的解釋是，這個信號可能是暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生光子（第17章介紹的一種間接信號）的結(jié)果。暗物質(zhì)粒子之間也許會相互碰撞，然后通過公式E=mc2轉(zhuǎn)變成為光子，之后被費米衛(wèi)星探測到。對這個理論更進一步的支持是，被觀測到的超額光子的能量，剛好位于預期的暗物質(zhì)能標范圍內(nèi)。它也剛好接近希格斯玻色子質(zhì)量^[39]，或許這暗示了更深層的關(guān)系。這個測量第三個有趣的方面是，產(chǎn)生輻射的相互作用率與保證暗物質(zhì)殘留密度所需要的相互作用率一致。如果暗物質(zhì)以被觀測到的速率湮滅過，那么剛剛好遺留下今天的暗物質(zhì)數(shù)量。

除了這些樂觀跡象，如果信號真的來源于暗物質(zhì)，也有一些現(xiàn)象不好解釋。暗物質(zhì)不會直接產(chǎn)生光子，因為它不會和光相互作用。也許暗物質(zhì)會和某些我們還沒有觀測到的帶電重粒子相互作用，而這些粒子反過來又和光相互作用。如果是這種情況的話，我們會期望，當暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生能量時，這個能量也會產(chǎn)生帶電粒子。然而費米衛(wèi)星并沒有觀測到這一現(xiàn)象。

另一個問題是，盡管暗物質(zhì)的總體數(shù)量取決于它湮滅了多少，但信號的強度只取決于有多少暗物質(zhì)粒子湮滅為光子。給定宇宙中的暗物質(zhì)密度時，我們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)湮滅為光子的速率，除了在人為精調(diào)模型中以外，在其他模型中也都太低了。這說明，關(guān)于這個信號，這種特定的暗物質(zhì)解釋，可能僅在很窄的一個參數(shù)范圍內(nèi)才與觀測符合。這要求一個足夠大的湮滅速率來產(chǎn)生光子，而不會產(chǎn)生可測量的帶電粒子。目前沒有可靠的理論可以使得這種情況發(fā)生。

我和范吉吉、安德雷、馬修認為，這是一個研究可行暗物質(zhì)模型的有趣機會。我們想知道，是否有什么合理的方案可以使所有這些速率都符合其觀測值。我們從關(guān)注費米的結(jié)果開始并且問自己：我們能否想到一個方法，以讓大自然可以比其他物理學家提出過的模型做得更好？我們非常明白，可能結(jié)果會是，這些數(shù)據(jù)一直在誤導我們。費米的數(shù)據(jù)很誘人，卻沒有強到可以斷定一個新信號是來自暗物質(zhì)，還是其他什么源的結(jié)論。這個觀測可能只是因為統(tǒng)計上的巧合，或者對儀器信號的不當處理，而非一個真正的物理過程的信號——我可不想讀者讀到這里時產(chǎn)生任何過高期望，可能這個信號只是個錯誤。

但這個結(jié)果也非常有趣，尤其是在早期，它使得我們發(fā)問：是否存在合理的物理過程可以產(chǎn)生這個信號？畢竟尋找奇異的新型物質(zhì)很困難。我們想知道所有可能找到它們的方法。不論這種信號會不會被證實，我們都能學到一些未來可能有用的知識。

我們四人曾試了若干個想法，試圖在保障所需信號的同時，又能巧妙地避免各種問題，但是沒有一個提議能好到值得繼續(xù)下去。那些可以成功滿足所有限制條件的想法都與“奧卡姆剃刀”的精神不符。更糟糕的是，它們不容于任何現(xiàn)有的概念。

盡管如此，我們曾否定的一個模型引發(fā)了一系列思考，而這最終比我們的其他嘗試都更有趣。我們最初的努力全都是為了找出一個特定的模型，來塞入現(xiàn)有的框架內(nèi)。但退一步想：假如局部暗物質(zhì)比我們原本設(shè)想的更致密一些呢？也就是說，我們其實曲解了這些暗示。假如因為暗物質(zhì)密度更大，可以比預期的湮滅更多呢？

如果密度更高，暗物質(zhì)粒子就可以更有效地接觸彼此并相互作用。這反過來會創(chuàng)造更強的信號，也因此更容易被觀測到，就像你在人潮流動的火車站比在晚上11點的郊區(qū)更容易撞到人一樣。高密度環(huán)境中的暗物質(zhì)粒子比在通常暗暈中那種稀疏環(huán)境下，更容易與另一個暗物質(zhì)粒子相互作用。如果一些暗物質(zhì)比暗暈中的物質(zhì)更加緊致，那么其他限制條件就很容易滿足了。

接下來的問題是更基礎(chǔ)的原因。為什么暗物質(zhì)或至少某些暗物質(zhì)，會比我們認為的更致密呢？這就是我們會想到“部分相互作用暗物質(zhì)”這個主意的原因了——當然，還有“暗物質(zhì)盤”這個概念。事實上，即使我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)費米信號是假的，這個嶄新的想法也有非常多未被深究的推論，我們會意識到它本身也非常值得探索。其中一個結(jié)果就是，比通常假設(shè)的要致密得多的暗物質(zhì)盤。

有次我打掃房子的時候（好吧，實際上是我的吸塵機器人在工作），我清理了吸塵器的灰塵盒，發(fā)現(xiàn)了我很久以前保留的一張幸運餅干里的紙條。這張紙條問了一個神秘的問題：“黑暗的速度是什么？”那時我不知道這些話其實是一個運簽，不過這句話或多或少地預言了我接下來要開始的研究。

暗物質(zhì)盤

蘭道爾及合作者提出的“部分相互作用暗物質(zhì)”理論所假設(shè)的一種盤。相互作用的暗物質(zhì)會耗散能量，降低速度，并冷卻形成一個盤。其溫度和普通物質(zhì)盤相當。

第5章解釋了，普通物質(zhì)之所以會聚集在一個致密的薄盤中，是因為它會輻射光子，而光子能有效地帶走能量。這種能量耗散的結(jié)果是，那些熱的、高能的、高速粒子逐漸變成慢而冷的粒子，不會再有大范圍的活動。物質(zhì)會坍縮，因為較低的能量使得它速度變低，不能四處擴散。普通物質(zhì)通過消耗能量來降低速度，坍縮成一個盤——就像銀盤一樣，你可以在晴朗夜空看到它。

在我與合作者想出“部分相互作用暗物質(zhì)”這個概念以后，我們探索了它對銀河系和更多現(xiàn)象的可能后果。我們假設(shè)相互作用的暗物質(zhì)是存在的，并假設(shè)它的行為和普通物質(zhì)相似。我們已經(jīng)知道，普通物質(zhì)在星系中心冷卻、速度降低，于是形成了一個盤。

在我們的理論中，僅僅有一小部分暗物質(zhì)相互作用，大部分暗物質(zhì)仍舊會形成球形的暗暈，這與天文學家已經(jīng)觀測到的相一致。然而，新的相互作用暗物質(zhì)也能耗散能量，所以它也能像普通物質(zhì)一樣，冷卻并形成一個盤。相互作用的暗物質(zhì)成分會通過暗光子的相互作用，輻射出能量來降低速度。在這一方面，它會像普通物質(zhì)那樣活動。并且由于角動量的累積，阻止了除縱向之外的其他方向上的坍縮，因此相互作用的暗物質(zhì)會形成一個盤。

再者，就像普通原子由帶相反電荷的質(zhì)子和電子組成一樣，這種暗物質(zhì)成分也許包含帶有相對電荷的粒子。這種帶電粒子會持續(xù)輻射能量，直到它們冷卻到可以被束縛在暗原子中。之后這種冷卻會變慢，暗物質(zhì)原子就像普通物質(zhì)的原子那樣，存在于盤中，而盤的厚度與束縛的暗原子的溫度相關(guān)。根據(jù)合理假設(shè)，普通物質(zhì)和暗物質(zhì)冷卻停止后的溫度會相當。因此，會留給我們一個溫度相當?shù)陌滴镔|(zhì)盤和普通物質(zhì)盤。

盡管如此，暗物質(zhì)盤不會有和銀盤完全一樣的結(jié)構(gòu)。事實上，它會更有趣。暗物質(zhì)盤卓越的特征是，如果一個暗物質(zhì)粒子比一個質(zhì)子更重卻有相同的溫度，那么暗物質(zhì)盤和銀盤相比會更薄。

一個粒子帶多少能量與它的溫度相關(guān)，但動能也與質(zhì)量和速度相關(guān)。同樣溫度的更重粒子必須有更低的速度，這樣它們的能量才相當。所以，大質(zhì)量粒子會導致更薄的盤。對于一個比質(zhì)子質(zhì)量重100倍（這是我們通常假設(shè)的暗物質(zhì)質(zhì)量）的暗物質(zhì)粒子來說，暗物質(zhì)盤可能比銀河系的窄盤薄100倍（這是一個值得注意的可能性），正如我們在接下來的兩章里將看到的那樣，這會帶來許多有趣的觀測結(jié)果（見圖19-1）。

同樣重要的是，兩個盤盡管各不相同，卻應該對齊——暗物質(zhì)盤鑲嵌在銀河系平面中廣闊的盤里。這是因為，普通物質(zhì)盤和暗物質(zhì)盤會通過引力相互作用，不是完全相互獨立的。之前關(guān)于?？怂剐侣労兔绹鴩夜搽娨暸_的比喻有個缺陷，暗物質(zhì)盤和普通物質(zhì)盤都會受到引力的拉力，實際上會使這兩個實體指向同一方向。左翼和右翼的電視臺也不是完全相互獨立的，因為它們會通過固定且經(jīng)常重復的廣播的集體效應相互影響對方，且大部分的反響是負面的，這讓它們的互動會相互排斥。不同的是，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的盤通過引力發(fā)生相互作用并會對齊。

圖19-1

小部分相互作用暗物質(zhì)成分可以在銀河系的中平面形成一個非常薄的暗物質(zhì)盤，由圖中的黑色實線表示。

我們研究的重要且驚喜的結(jié)果是，普通物質(zhì)盤會伴隨著一個暗物質(zhì)薄盤，并且這個暗物質(zhì)盤會鑲嵌在銀盤中。我與合作者對這個結(jié)果感到非常興奮，并熱切地想與其他物理學家分享。我的同事、哈佛大學的霍華德·喬吉（Howard Georgi）也非常喜歡這個主意，但明智地想到，這個理論值得擁有一個比我們所建議的更吸引人的名字。他還幫忙提議了“雙盤暗物質(zhì)”這個名字，這如此貼合我們的目的，我們后來一直使用它。這個名字非常合適，因為根據(jù)我們的研究，星系的確擁有兩種類型的盤，一個鑲嵌在另一個中。

恒星觀測顯示，我們離開銀河系平面不會超過幾百萬年，這只是宇宙尺度上的一瞬間。這告訴我們，如果雙盤暗物質(zhì)存在，太陽系也會在大約同樣的時間尺度上于暗物質(zhì)盤上震蕩，所以我們離得并不太遠（以天體物理的角度來看）。實際上，如果盤更厚一點，我們也許正在其中，并可能會有些可觀測的結(jié)果。而且，這個盤也許會影響太陽系的運動——也許會產(chǎn)生一些戲劇性的影響，盡管是在超長的時間尺度上。我們所提出的部分相互作用暗物質(zhì)也能在其他星系中制造盤，這也許恰巧解釋了它們的某些特征。

當然，重要的問題是，相互作用的暗物質(zhì)成分和暗物質(zhì)盤是否真的存在。通過測量它的結(jié)果來發(fā)現(xiàn)一個暗物質(zhì)盤，會幫助我們了解以上任何一個建議的重要意義。幸運的是，與普通物質(zhì)一樣，即使它只占宇宙中暗物質(zhì)總量的很少一部分，相互作用的成分產(chǎn)生的高密度，也許會讓它比普通離散的暗暈中的暗物質(zhì)更容易被發(fā)現(xiàn)。我們下章會提到，由這種加強的暗物質(zhì)密度所產(chǎn)生的許多粒子物理和天文信號，應該能告訴我們暗物質(zhì)盤是不是可行的或者更好的選擇。

如果我足夠幸運，也許一個或更多此類觀測會最終揭示暗物質(zhì)盤的存在。