在過(guò)去的40年里，天文學(xué)家意識(shí)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(gè)宇宙的不到5%！那么其它的那~95%是什么呢？最簡(jiǎn)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)就是看不見(jiàn)的物質(zhì)，但是科學(xué)家可以通過(guò)暗物質(zhì)對(duì)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(shí)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?yàn)槲覀兛床灰?jiàn)它們。
Dark Matter
暗物質(zhì)
它是如何被發(fā)現(xiàn)的？
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(lái)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(cè)都表明了暗物質(zhì)存在的跡象，比如對(duì)星系團(tuán)以及引力透鏡的觀測(cè)。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(duì)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(wèn)題也就都會(huì)迎刃而解了。
我們知道些什么？
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(shuō)相對(duì)于光速它運(yùn)動(dòng)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(huì)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(cè)到的球狀“暈”。
還有，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙總量的26.8%。
暗物質(zhì)會(huì)是什么？
極大的可能是某種我們從未探測(cè)到的新粒子（或者一整個(gè)族的粒子）。暗物質(zhì)很可能圍繞著我們，并在這一刻穿過(guò)你的身體。這就意味著這個(gè)宇宙大難題的答案很可能取決于微觀粒子。
在過(guò)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(guò)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(wú)法被直接探測(cè)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(dòng)的速度相對(duì)緩慢，因而能夠成團(tuán)聚集。根據(jù)以上特點(diǎn)，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(duì)撞機(jī)（LHC）的其中一個(gè)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(guò)將質(zhì)子加速近光速并對(duì)撞就有可能產(chǎn)生難以捉摸的暗物質(zhì)粒子。
我們可以探測(cè)到暗物質(zhì)嗎？
除了CERN，在世界各地有30多個(gè)大型實(shí)驗(yàn)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(cè)器（在一個(gè)圓柱形罐子注入夜氙）觀測(cè)暗物質(zhì)粒子撞上原子核發(fā)出的閃光信號(hào)。
盡管到目前為止，科學(xué)家還都沒(méi)有找到有任何有說(shuō)服力的證據(jù)，但是通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)可以排除一些暗物質(zhì)的候選者。
不過(guò)，還有一個(gè)可能是科學(xué)家永遠(yuǎn)也無(wú)法直接探測(cè)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。
暗力和暗光子
另外，一些物理學(xué)家提出暗物質(zhì)粒子可以通過(guò)一種新的基本力來(lái)相互作用，沒(méi)錯(cuò)，就叫做暗力，通過(guò)暗光子來(lái)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(gè)質(zhì)子相互靠近時(shí)，每個(gè)質(zhì)子都將釋放一個(gè)光子——電磁力的載體——并吸收對(duì)方的光子。
或許暗物質(zhì)有很多類型，有一些通過(guò)暗力相互作用，而有一些不是。
Dark Energy
暗能量
它是如何被發(fā)現(xiàn)的？
在19世紀(jì)初，物理學(xué)家（包括愛(ài)因斯坦）認(rèn)為宇宙處于靜態(tài)和不變的。但是，在1929年，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃對(duì)爆炸恒星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹。事實(shí)上宇宙必須有個(gè)開(kāi)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(huì)逐漸慢下來(lái)，最終所有的東西又重新聚在一起。問(wèn)題在于宇宙是否是在某一個(gè)時(shí)刻停止膨脹并開(kāi)始往回收，最終形成大坍縮。
直到1998年，事情變得復(fù)雜起來(lái)。
利用哈勃用過(guò)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(méi)有慢下來(lái)，而且是在加速。星系以越來(lái)越快的速度逐漸的相互遠(yuǎn)離。
這是一個(gè)奇怪并且出乎意料的結(jié)果。這就好比是你開(kāi)車在高速奔馳，然后你松開(kāi)油門，可是車不僅沒(méi)有慢下來(lái)反而加速了！
由于觀測(cè)數(shù)據(jù)非常具有說(shuō)服力，因此物理學(xué)家意識(shí)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”。
我們知道些什么?
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(diǎn)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(kāi)始就有的，而是在宇宙大爆炸后的數(shù)十億年開(kāi)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(shuō)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(lái)），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(shí)候暗能量顯得微不足道。
暗能量會(huì)是什么？
想要解開(kāi)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(tīng)起來(lái)很奇怪，但是物理學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量到由這些“虛粒子”造成的力。
問(wèn)題是，當(dāng)物理學(xué)家嘗試計(jì)算這些虛粒子在每立方米中的能量貢獻(xiàn)時(shí)，得到的結(jié)果是一個(gè)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(jì)算）。這樣的一個(gè)數(shù)字——1后面再加上120個(gè)零，被稱為“物理史上最差勁的理論預(yù)言”。
精質(zhì)暗能量
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(gè)空間。他們把它稱之為“精質(zhì)”，這個(gè)名字來(lái)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(gè)簡(jiǎn)單的標(biāo)量場(chǎng)，回想早期宇宙學(xué)的暴漲模型，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是用一個(gè)慢滾的標(biāo)量場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)宇宙的暴漲。特別是一個(gè)僅依賴于時(shí)間演化的標(biāo)量場(chǎng)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(gè)標(biāo)量場(chǎng)。但是目前在自然界中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)基本標(biāo)量場(chǎng)，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(chǎng)。
大撕裂和幻影暗能量
在一些理論中，精質(zhì)會(huì)一直越來(lái)越強(qiáng)，這種情形下就會(huì)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(chǎng)。
如果暗能量是幻影物質(zhì)，它會(huì)摧毀整個(gè)宇宙。
屆時(shí)宇宙的膨脹會(huì)持續(xù)的加速，并最終達(dá)到光速。那么情況會(huì)是這樣的：首先星系和恒星會(huì)四分五裂，太陽(yáng)和地球之間的空間會(huì)膨脹的比光速還快，直到最后物質(zhì)無(wú)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(chǎng)大撕裂中變得死寂。
新的引力理論？
也或許，暗能量并不是什么新的力，而是一個(gè)信號(hào)。我們知道愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是非常成功的引力理論，但是它僅在大到太陽(yáng)系尺度，小到亞毫米尺度得到了精確的檢驗(yàn)。在小尺度上，量子引力效應(yīng)必定對(duì)廣義相對(duì)論有一定的修正；在宇宙學(xué)尺度上，并沒(méi)有原理保證廣義相對(duì)論一定正確。因此，通過(guò)在大尺度上修改廣義相對(duì)論來(lái)解釋觀測(cè)到的宇宙加速膨脹效應(yīng)是一個(gè)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。
ΛCDM Model
ΛCDM模型
Λ是宇宙學(xué)常數(shù)，是解釋當(dāng)前宇宙觀測(cè)到的加速膨脹的暗能量項(xiàng)。而CDM則是冷暗物質(zhì)，是一些運(yùn)動(dòng)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(gè)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(guò)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(shí)也遇到了許多的挑戰(zhàn)。未來(lái)，只有當(dāng)我們一步步的揭開(kāi)暗物質(zhì)和暗能量的神秘面紗時(shí)，才能知道被大自然隱藏的那~95%。
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