1915年，愛因斯坦根據(jù)他的相對(duì)論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。他認(rèn)為:宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到每立方厘米5×10的負(fù)30次方克。但是，迄今可觀測(cè)到的宇宙的密度，卻比這個(gè)值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了，科學(xué)家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”。

最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)存在的是20世紀(jì)30年代荷蘭科學(xué)家Jan Oort與美國(guó)加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇等人。

1932年，美國(guó)加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)的存在。弗里茲·扎維奇觀測(cè)螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度較牛頓重力預(yù)期的快，故推測(cè)必有數(shù)量龐大的質(zhì)能拉住星系外側(cè)組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。

弗里茲·扎維奇發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無法束縛住這些星系。

暗物質(zhì)（dark matter）剛被提出來時(shí)僅僅是理論的產(chǎn)物，之后幾十年的觀測(cè)分析證實(shí)了這一點(diǎn)。盡管對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)已被廣為接受了 。

在引入宇宙膨脹理論之后，許多宇宙學(xué)家相信我們的宇宙是一個(gè)平行的空間，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的（這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開放的）。與此同時(shí)，宇宙學(xué)家們也傾向于一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)與暗能量。但事實(shí)上，觀測(cè)從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質(zhì)密度的估計(jì)上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質(zhì)的總量達(dá)到臨界值，而且這一觀測(cè)和理論模型之間的不一致也隨著時(shí)間變得越來越尖銳。

暗物質(zhì)不過，我們忽略了極為重要的一點(diǎn)，那就是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系、恒星和行星，更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團(tuán)以及星系長(zhǎng)城。而在大尺度上能夠促使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生引力，因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落會(huì)在宇宙微波背景（CMB）中留下痕跡。然而普通物質(zhì)不可能通過其自身的漲落形成實(shí)質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因?yàn)槟菚r(shí)普通物質(zhì)還沒有從輻射中脫耦出來。

另一方面，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質(zhì)脫耦之后，已經(jīng)成團(tuán)的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì)，進(jìn)而形成了我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。這需要一個(gè)初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)，由于它是無熱運(yùn)動(dòng)的非相對(duì)論性粒子因此得名。

在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中一件重要的事情。對(duì)于先前提到的小擾動(dòng)（漲落），為了預(yù)言其在不同波長(zhǎng)上的引力效應(yīng)，小擾動(dòng)譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應(yīng)該是標(biāo)度無關(guān)的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長(zhǎng)的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的。“大爆炸”初期暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動(dòng)力學(xué)出發(fā)機(jī)制來形成這樣一個(gè)標(biāo)度無關(guān)的小擾動(dòng)譜（其譜指數(shù)n=1）。WMAP的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言。

但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙。我們已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞。但是它們對(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分還不清楚。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者，由其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測(cè)器和天文觀測(cè)來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。