暗物质是什么？暗能量？
几十年前，当暗物质首次被提出时，它还只是理论的产物，但现在我们知道暗物质已经成为宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，占宇宙能量密度的1/4，更重要的是暗物质主导了宇宙结构的形成。虽然暗物质的性质还不清楚，但并不影响它的存在。
在天文学中，用质量与光度之比测得的质量，总是比用星系周围物质的自转曲线、双星系统的引力、动态平衡条件等力学方法得到的质量小得多。所以一定有很多暗物质有机械效应但是没有光。换句话说，宇宙中大规模存在暗物质是一个普遍规律。计算表明，银河系的总质量至少比光学区大10倍，即银河系至少90%的质量属于暗物质。
李政道教授说:暗物质存在的依据是什么？让我们随机看一个星系。它的直径大约是2万秒差距。星系周围的恒星、尘埃或气体云都以一定的线速度做圆周运动，其离心力为
F = mv2/r
r是物体到中心的距离。
星云的引力
f报价= GmM/r2
其中g是引力常数，m是星云的质量。星云的引力应该和离心力平衡，方程两边都消去了M，所以有
GM/r2 = v2/r
方程左边是重力加速度，右边是圆周运动的向心加速度。简化和变形
v2= GM/r
由于引力常数g和星云的质量m都是常数，所以从上式可以看出，恒星线速度v的平方与恒星到星云中心的距离r成反比。因此，恒星离星云中心越远，其线速度越小。如果测量出R和恒星的速度V，就可以计算出这个星云中的物质M。
以星系NGC3192为例，其发光面积约为15千秒差距，但距离中心3万秒差距处对恒星的线速度甚至大于15千秒差距处，这意味着星系NGC3192中除了可见物质外还有不可见物质。
可见物质是明亮的物质，也就是说眼睛可以看到，可以用电磁波和红外光来测量。看不见的暗物质不发光也不反光，但能产生引力。因为暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度并不会随着距离的增加而降低。
这种现象并非独一无二。所有测量过的967个星系都是这样，无一例外。也就是说，所有星系都含有暗物质。
大约65年前，暗物质存在的证据首次被发现。当时，弗里茨·兹维基发现大星系团中的星系有极高的运动速度。除非星团的质量超过根据其中恒星数量计算出的数值的100倍，否则星团根本无法束缚这些星系。经过几十年的观察和分析证实了这一点。尽管暗物质的性质仍然未知，但到了20世纪80年代，占宇宙能量密度20%左右的暗物质已经被广泛接受。有人认为普通发光物质占宇宙总质量的0.4%，其他普通物质占3.7%，暗物质占近23%，另外73%是暗能量。
20世纪30年代，瑞士阿拉伯科学家茨威基用两种方法测量了星系团的质量。一种是光度测定法，即通过测量一个星系团中星系的光度，根据星光与质量的关系推导出星系的质量，然后将每个星系的质量加在一起，得到整个星系团的质量。另一种方法是动力学方法，即测量星系间的相对运动速度，由此可以推断出星系团的总质量。结果表明，这两种方法得到的质量差别很大。以后来者星团为例，动态质量比光度质量大400倍。这个结果只能解释为:晚期星系团的主要质量不是由可见星系贡献的，而是由其中的大量暗物质贡献的。只有发光区域的质量才能用光度测定法来衡量。所以包含大量暗物质的不发光区域的光度质量自然会比动力学质量小很多。兹维特维奇把无法用光度学方法检测到的质量称为“下落不明的质量”。
但直到20世纪70年代，一些有影响力的天文学家仍然认为星系是宇宙的主要组成部分，不可解释的质量根本不存在，不存在质量短缺。1987年，通过星系的自转曲线证明了暗物质的存在。面对这一事实，这些天文学家开始认真考虑暗物质的问题。
星系的自转曲线是指物体绕螺旋星系旋转的速度与其半径的关系。旋转曲线描述了一个物体在银盘中距离星系中心不同距离的轨道速度。速度是通过多普勒效应获得的——我们接收到的光的波长变化与物体接近或远离我们的速度成正比。但观测结果表明，该天体的自转速度与星系发光区外的距离无关。换句话说，不同距离的物体转速相同。对于这一异常结果的唯一解释是，星系周围的空间并不是真空，而是存在一个质量相当大的光环。这个光晕不发光，是暗物质。
此后，天文观测发现了许多证明暗物质存在的证据。比如我们附近恒星的运动反映了银盘中物质的引力影响，比我们发现的恒星和气体物质的引力影响大50%。射电天文学、红外天文学、紫外天文学和X射线天文学的发展，使我们能够探测到不同温度的气体，并对光度只有太阳百分之一甚至更暗的单个恒星进行计数。然而，银河系的密度与天文学家通过理论计算所预期的仍然相差甚远。
一些科学家确信，宇宙中的实际物质是发光部分的1000倍。
暗物质到底是什么？粒子物理学家希望对暗物质的研究能够发现许多他们预言的“黑暗”粒子。这些黑暗粒子有各种各样的名字，常见的集体名词是“量子”和“宇宙子”。其中许多是基于已知粒子的术语。比如光学光子来自光子，引力光子来自引力。它们大多不参与地磁作用，或者只有微弱的相互作用。弱相互作用有利于这些粒子形成暗物质，但也使得研究这些粒子变得非常困难，这些粒子可以直接穿透地球和太阳，更不用说实验室里的探测器了。由于天文观测只能直接提供大而亮天体的数据，而对暗而小的粒子却无能为力，天文学家只好通过观测一类度数较小、呈球形分布的星系——矮星系来推断暗粒子的性质。
在银河系周围，有六七个矮球星系，距离银河系中心大致在20万到60万光年之间。它们处在银河系的引力场中，没有被银河系的引潮力瓦解，所以它们的质量不可能太小。另外，矮球星系的光度并不大，说明发光物质不多，暗物质肯定很多。可以进一步推断，组成暗物质的粒子的静止质量一定很大，否则不可能留在这个小星系里。推测这种暗物质十有八九是引力的或者光学的。
事实上，暗物质的存在也可以通过物质的无限可分性来预测。因为比光子小的部分一定是暗物质。所以暗物质的存在也支持了物质的无限可分性。
暗物质的存在会严重威胁广义相对论。爱因斯坦在创立广义相对论的时候，显然没有把这些暗物质考虑进去。作为一个精确的理论，没有理由不预见这么多暗物质。
在第二章中，我们已经讨论过，正是暗物质的存在才需要通过暗物质与物体的碰撞来解释引力。一些暗物质与物体的碰撞破坏了暗物质的各向同性，产生了万有引力。所以从某种意义上来说，引力碰撞的起源已经预见了暗物质的存在。
恒星的演化也需要暗物质。暗物质产生原子氢，原子氢通过热核反应释放出大量热能，成为恒星演化的能量来源。这种能量本质上是暗物质所拥有的，可以称为暗能量。可见，暗能量其实是暗物质所固有的，它无法从暗物质中分离出来。普通发光物质占宇宙总质量的0.4%，其他普通物质占3.7%，暗物质占近23%，另外73%是暗能量的观点值得商榷。因为73%的暗能量明显受到相对论的影响，所以认为质量可以转化为能量，从而将能量与质量分离，这当然是错误的。暗能量是暗物质固有的，它的比例应该算作暗物质与生俱来的权利。严格来说，普通发光物质占宇宙总物质的0.4%，其他普通物质占3.7%，暗物质占近96%。
人们总以为自己的感情上有一个什么都没有的“真空”，这种认识是片面的。因为人能看到的物质层次是非常有限的，而人看不到的物质层次是无限的，所以“真空”里有大量的暗物质，但人感觉不到。所以真空只是一个表面现象，真空不是空的。