暗物質(zhì)&暗能量：未知的~95%

在過去的40年里，天文學(xué)家意識到所有我們能看到的東西（包括恒星、行星和星系等等）只占有了整個宇宙的不到5%！那么其它的那~95%是什么呢？最簡短的答案是：不知道。這未知的~95%被物理學(xué)家稱之為暗物質(zhì)和暗能量。

簡單來說，暗物質(zhì)就是看不見的物質(zhì)，但是科學(xué)家可以通過暗物質(zhì)對恒星和星系施加的引力作用推斷它們的存在。

另一方面，暗能量則是使宇宙加速膨脹的幕后黑手。

我們并不確定暗物質(zhì)和暗能量之間是否存在著關(guān)聯(lián)，事實上它們兩者很有可能是完全不同的現(xiàn)象。之所以都稱之為“暗”只是因為我們看不見它們。

至1930年代起，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)星系的旋轉(zhuǎn)并不合理。所有的旋臂星系外圍的恒星比預(yù)期的速度要旋轉(zhuǎn)的快很多（星系的自轉(zhuǎn)曲線）。這就意味著如果星系主要的質(zhì)量來自發(fā)光物質(zhì)，那這些星系外圍的恒星應(yīng)該早已逃離到外太空去。但是，如果我們假設(shè)有額外的質(zhì)量圍繞著星系，那么星系的自轉(zhuǎn)曲線就可以被解釋，這些額外的質(zhì)量便是“暗物質(zhì)”。

至此之后，許多天文觀測都表明了暗物質(zhì)存在的跡象，比如對星系團(tuán)以及引力透鏡的觀測。盡管還有一些科學(xué)家正在嘗試構(gòu)建其它的理論，比如對引力的修正。但目前大多科學(xué)家都傾向于相信暗物質(zhì)，有了暗物質(zhì)的存在，很多問題也就都會迎刃而解了。

我們知道暗物質(zhì)不發(fā)光（也不吸收和反射），所以它不可能是游蕩行星或者普通物質(zhì)構(gòu)成的氣體云。我們知道它是“冷”的，意思是說相對于光速它運(yùn)動的非常慢。我們知道暗物質(zhì)可以傳遞引力。我們也知道它跟其它任何東西之間的作用都非常弱，甚至是自身——否則暗物質(zhì)就會在自身的引力下坍縮而形成諸如星系的構(gòu)造，而不是我們觀測到的球狀“暈”。

還有，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙總量的26.8%。

極大的可能是某種我們從未探測到的新粒子（或者一整個族的粒子）。暗物質(zhì)很可能圍繞著我們，并在這一刻穿過你的身體。這就意味著這個宇宙大難題的答案很可能取決于微觀粒子。

在過去的30年里，物理學(xué)家已經(jīng)有了很多不同的暗物質(zhì)候選粒子。其中最有希望的候選者是一種叫做大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）。WIMP比普通粒子的質(zhì)量大，而且粒子只通過弱核力和引力相互作用。由于它們不參與電磁力作用，因此無法被直接探測到；由于它們不參與強(qiáng)核力作用，因此它們基本上與普通物質(zhì)不發(fā)生相互作用；由于它們較大的質(zhì)量，因此它們運(yùn)動的速度相對緩慢，因而能夠成團(tuán)聚集。根據(jù)以上特點，WIMP被認(rèn)為是最有可能的“冷暗物質(zhì)”候選者。

歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的其中一個目標(biāo)就是尋找WIMPs（LHC在2013年發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子），通過將質(zhì)子加速近光速并對撞就有可能產(chǎn)生難以捉摸的暗物質(zhì)粒子。

除了CERN，在世界各地有30多個大型實驗室都致力于尋找暗物質(zhì)的蹤跡。有一些利用望遠(yuǎn)鏡在搜尋暗物質(zhì)之間發(fā)生湮滅產(chǎn)生的粒子痕跡。有一些則利用氙探測器（在一個圓柱形罐子注入夜氙）觀測暗物質(zhì)粒子撞上原子核發(fā)出的閃光信號。

盡管到目前為止，科學(xué)家還都沒有找到有任何有說服力的證據(jù)，但是通過這些實驗可以排除一些暗物質(zhì)的候選者。

不過，還有一個可能是科學(xué)家永遠(yuǎn)也無法直接探測到暗物質(zhì)，特別是如果暗物質(zhì)粒子不發(fā)生弱相互作用。

另外，一些物理學(xué)家提出暗物質(zhì)粒子可以通過一種新的基本力來相互作用，沒錯，就叫做暗力，通過暗光子來傳遞。這類似于普通質(zhì)子依靠電磁力進(jìn)行相互作用的情形：當(dāng)兩個質(zhì)子相互靠近時，每個質(zhì)子都將釋放一個光子——電磁力的載體——并吸收對方的光子。

或許暗物質(zhì)有很多類型，有一些通過暗力相互作用，而有一些不是。

在19世紀(jì)初，物理學(xué)家（包括愛因斯坦）認(rèn)為宇宙處于靜態(tài)和不變的。但是，在1929年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃對爆炸恒星運(yùn)動的觀測發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹。事實上宇宙必須有個開端，那一刻稱之為大爆炸。

在大爆炸之后，物理學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為由于引力的作用，宇宙的膨脹應(yīng)該會逐漸慢下來，最終所有的東西又重新聚在一起。問題在于宇宙是否是在某一個時刻停止膨脹并開始往回收，最終形成大坍縮。

直到1998年，事情變得復(fù)雜起來。

利用哈勃用過的同樣方法（以及以哈勃命名的太空望遠(yuǎn)鏡）天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹不僅沒有慢下來，而且是在加速。星系以越來越快的速度逐漸的相互遠(yuǎn)離。

這是一個奇怪并且出乎意料的結(jié)果。這就好比是你開車在高速奔馳，然后你松開油門，可是車不僅沒有慢下來反而加速了！

由于觀測數(shù)據(jù)非常具有說服力，因此物理學(xué)家意識到宇宙的膨脹或許是由于某種能量驅(qū)使的，也就是所謂的“暗能量”。

我們知道暗能量與宇宙的命運(yùn)息息相關(guān)。我們知道它有點像反引力，使所有東西都相互遠(yuǎn)離。我們也知道暗能量并不是一開始就有的，而是在宇宙大爆炸后的數(shù)十億年開始支配著宇宙。

這就讓物理學(xué)家思考暗能量是否跟空間之間有著緊密的聯(lián)系。意思是說它在空間中的密度總是一樣的，但是由于宇宙的膨脹（更多的空間被制造出來），暗能量的量也被增加了。這就可以解釋為什么宇宙早期的時候暗能量顯得微不足道。

想要解開暗能量的神秘面紗，答案很有可能隱藏在量子世界。

在量子力學(xué)中，“空的空間”并不是完全空的，而是充滿了粒子湯，粒子不斷的出現(xiàn)、湮滅。雖然聽起來很奇怪，但是物理學(xué)家已經(jīng)在實驗室里測量到由這些“虛粒子”造成的力。

問題是，當(dāng)物理學(xué)家嘗試計算這些虛粒子在每立方米中的能量貢獻(xiàn)時，得到的結(jié)果是一個巨大的數(shù)字：10^120，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出暗能量的密度（可以從宇宙的膨脹率中計算）。這樣的一個數(shù)字——1后面再加上120個零，被稱為“物理史上最差勁的理論預(yù)言”。

一些物理學(xué)家認(rèn)為暗能量類似自然界中的第五種力，彌漫在整個空間。他們把它稱之為“精質(zhì)”，這個名字來自于古希臘哲學(xué)家預(yù)言的第五種元素——被認(rèn)為充滿地球以外的宇宙空間。

精質(zhì)是一個簡單的標(biāo)量場，回想早期宇宙學(xué)的暴漲模型，一個簡單的方法就是用一個慢滾的標(biāo)量場來實現(xiàn)宇宙的暴漲。特別是一個僅依賴于時間演化的標(biāo)量場與均勻各向同性相符的，所以物理學(xué)家自然就聯(lián)想到暗能量就是一個標(biāo)量場。但是目前在自然界中還沒有發(fā)現(xiàn)基本標(biāo)量場，盡管粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中有希格斯標(biāo)量粒子；在高緯的統(tǒng)一理論如超弦理論中存在大量的標(biāo)量場。

在一些理論中，精質(zhì)會一直越來越強(qiáng)，這種情形下就會演變成物理學(xué)家稱之為的幻影暗能量。所謂的幻影暗能量是一類鬼場。

如果暗能量是幻影物質(zhì)，它會摧毀整個宇宙。

屆時宇宙的膨脹會持續(xù)的加速，并最終達(dá)到光速。那么情況會是這樣的：首先星系和恒星會四分五裂，太陽和地球之間的空間會膨脹的比光速還快，直到最后物質(zhì)無法被束縛在一起，原子也被撕裂。最終的結(jié)局就是宇宙在一場大撕裂中變得死寂。

也或許，暗能量并不是什么新的力，而是一個信號。我們知道愛因斯坦的廣義相對論是非常成功的引力理論，但是它僅在大到太陽系尺度，小到亞毫米尺度得到了精確的檢驗。在小尺度上，量子引力效應(yīng)必定對廣義相對論有一定的修正；在宇宙學(xué)尺度上，并沒有原理保證廣義相對論一定正確。因此，通過在大尺度上修改廣義相對論來解釋觀測到的宇宙加速膨脹效應(yīng)是一個合理的選擇。相關(guān)的理論有：鬼凝聚、f(R)引力理論和膜世界圖像等等。

Λ是宇宙學(xué)常數(shù)，是解釋當(dāng)前宇宙觀測到的加速膨脹的暗能量項。而CDM則是冷暗物質(zhì)，是一些運(yùn)動緩慢未知的粒子。

這是當(dāng)前天文物理學(xué)家能夠?qū)τ钪嫠鞋F(xiàn)象給出的最合理的模型。比如它解釋了宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)以及宇宙加速膨脹。

在這個圖景中，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙總質(zhì)量-能量的26.8%，暗能量則為68.3%，而普通物質(zhì)只占了不超過4.9%（普朗克衛(wèi)星的結(jié)果）。

ΛCDM模型雖然能夠很好的解釋了很多的現(xiàn)象，但同時也遇到了許多的挑戰(zhàn)。未來，只有當(dāng)我們一步步的揭開暗物質(zhì)和暗能量的神秘面紗時，才能知道被大自然隱藏的那~95%。