宇宙中可見物質為 4%，暗物質和暗能量占 96% 是怎麼算出來的？

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先說一條新聞：

就在今天（2015.11.11），目前世界上最靈敏的探索暗物質的儀器 XENON1T 正式啟用，明年年初預計會有first science results。（因為這個項目的負責人之一剛好是我們物理教授的同事Elena Aprile，所以他上課時非常激動地跟我們說到了這件事！具體了解可以看XENON1T: Gearing up to detect dark matter。）

暗物質存在的證據有不少，通過星系自轉曲線就可以算出其比重。在這裡我簡單地說一下：

（注意！這只是大致的介紹！）

回憶一下高中時學的萬有引力定律那一部分的知識：

離恆星越遠的行星，線速度越慢。

具體一點來說，因為向心力由萬有引力提供，所以：

$frac{mv^{2}}{r} =frac{GMm}{r^{2}}$

可以推出：

$vpropto frac{1}{sqrt{r} }$

同樣地，對於一個旋轉的星系來說，其線速度與軌道半徑關係大致應該是這樣（圖片均來自網路）：

然而當我們實際觀測星系的時候，（利用光譜紅移等等現象）發現線速度與半徑的關係完全不是這樣！！而是這樣（圖中B曲線）：

隨著軌道半徑的增加，線速度竟然趨近一個常數！

這裡有視頻：File:Galaxy rotation under the influence of dark matter.ogv

這怎麼解釋？

於是人們推測，可能星系中存在大量我們目前觀測不到的物質，使得星系密度與半徑有如下關係：

$ho (r)=frac{K}{r^{2}}$ ，其中 $K$ 是一個常數。

根據 Newton"s Shell Theorem 可得：

$frac{mv^{2}}{r} =frac{GM(<r)m}{r^{2}}$

（依然是向心力等於萬有引力，但萬有引力只跟距離 $r$ 以內的質量有關係。）

兩邊消去 $m$ ：

$frac{v^{2}}{r} =frac{GM(<r)}{r^{2}}$

那麼距離 $r$ 以內的質量 $M(<r)$ 怎麼計算呢？

$M(<r)=int_{0}^{r} 4pi r$

上式其實就是質量等於體積乘密度啦，只不過因為密度隨距離變化，所以需要用積分。

帶入之前的式子里，得到：

$frac{v^{2}}{r} =frac{G }{r^{2}} int_{0}^{r} 4pi r$

化簡得到：

$v^2=4pi GK$

$v=sqrt{4pi GK}$

當我們假設了存在觀測不到的物質後， $v$ 就是一個常數了！！

而且當我們知道線速度之後，就可以算出 $K=frac{v^2}{4pi G}$ 的值。

代入到密度的函數中：

$ho (r)=frac{K}{r^{2}}=frac{v^{2}}{4pi Gr^{2}}$

於是星系的質量為：

$M_{Galaxy}=int_{0}^{r_{max}} ho(r$

一般來說，星系的半徑 $r_{max}$ 在100~200kpc之間（這裡我代入100kpc），線速度約為220km/s。

於是可以算出星系的質量約為：

$M_{Galaxy}approx 2 imes 10^{42}kg$

而太陽的質量約為：

$M_{Sun}approx 2 imes10^{30}kg$

也就是說， $M_{Galaxy}approx 10^{12}M_{Sun}$

而我們能觀測到的星系質量約為：

$M_{Visible}approx 10^{11}M_{Sun}$

所以，這麼算下來我們能觀測到的質量大概只佔總質量的10%。如果代入更大的 $r_{max}$ ，就發現這個比例更小。

具體可見：Galaxy rotation curve

那麼就這樣=w=

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評論里有人問可觀測的質量是怎麼知道的。

方法有不少，我大概說一下：可以通過觀測binary stars（聯星）的運動算出來；也可以通過luminosity（光度）與質量之間的關係算出來；也可以通過恆星oscillate的軌跡算出其密度，然後求得質量。

知道了各種恆星的質量之後，就可以測量它們發出的光，然後計算它們各自的M/L（Mass-to-light ratio）。然後對於一個給定的星系，觀測其發出的光，然後乘上M/L，就可以得到星系的質量了。

首先可以考慮一個類比問題，我們是如何得到精確的太陽系模型，同時定出各大行星軌道半徑、軌道周期與太陽、行星質量的？

答：一句話說，就是理論模型、觀測數據不斷來回反覆調整校正，直到今天我們可以以秒為單位地精準預測各大行星在地球上任意經緯度的觀察者的天球上的天體位置與天體事件，包括太陽、行星、月亮、日食、月食、漲潮落潮、大潮小潮等全部都在紙上或計算機上秒量級精確推算，與實際毫秒不差，它們從此也不再神秘。

展開說就很複雜了，日心說與地心說的爭辯先略述下，在哥白尼時代，地心說實際上更符合我們的天文觀測，它需要太陽、月亮、五大行星距離地球的圓半徑和周期以及一些均輪的數據共十幾個，也即十幾個可調參數，它對天體的預測比較精準，當然是相對什麼都不懂的原始人而言的，不過這已經十分偉大了，後來隨著時間慢慢流逝，天文學觀測精度也增加了，地心模型與觀測出現較大偏離，因此不斷加上了更多的均輪以求得與觀測相符，到後期得有二十幾個了，繁瑣之極。但當時日心說的正圓軌道與觀測偏離得更是大得多，無論它怎麼調節它的可調參數都是如此，這說明它的模型有嚴重問題，一個嚴謹的物理學家此時是不應該選擇日心說的，非要承認日心說的話要靠非理性的信仰，但你無法否認事實上的觀測是不支持日心說的。後來開普勒分析第谷的觀測數據時創造性地提出了一個非正圓軌道：橢圓軌道，太陽處於橢圓焦點。一個橢圓有長軸短軸兩個參數，六大行星就是十二個可調參數，調整好這十二個數之後結果很棒，準確度不比複雜的地心說差多少，就此日心說取得公認。但到十九世紀地心說與日心說仍有爭論，直到地心說實在無法解釋月亮為什麼沒有觀測到角直徑不同時間會相差兩倍才算徹底塵埃落定。

當代公認的日心說最少需要多少個自由參數呢？八大行星的長短軸就是16個，再加上任意一個行星的軌道周期就是1個，再加上某一個時間點上所有行星間的相對位置也就是7個，還有最最重要的地球自轉與公轉面的夾角和你所在的緯度以及你的太陽時這3個，這樣共27個，這些自由參數必須只能是觀測定出來的，實踐上是調整這些參數後發現與過去所有觀測數據相符，也與未來數據相符，這樣這些參數就定下來了，你可以去玩兒轉太陽系了。現在你問我地球真的繞太陽轉嗎，這些參數背後還有什麼深刻原因，我告訴你我不知道！

切入正題，在宇宙學中，一方面是標準的LCDM（真空能及冷暗物質）宇宙模型，另一方面是超級無比海量的天文學數據，包括CMB（宇宙微波背景輻射），LSS（宇宙大尺度結構也即星系分布），天體的紅移—距離關係（著名的有SNe Ia 超新星），測量遙遠天體的距離是一門大學問，它細分有光度距離（距離越遠亮度越小）和角直徑距離（距離越遠看起來越小）、哈勃距離等，光度距離有如下方法定出：Cepheid variables造父變星周期-光度關係、渦旋星系旋轉-光度關係、超新星光變曲線-光度關係等。角直徑距離有利用SZ效應+CMB測星系團的角直徑。與日心說類似，我們宇宙學就是提出了一個與這些天文觀測、地面實驗等數據幾乎全部吻合得很好同時又還算合理簡單的模型，即LCDM標準宇宙模型，也可稱為人類目前所理解的宇宙吧。在科學意義上它達到了人類所能精確理解的極限，貿然超越這個宇宙模型就更像是神學與信仰而不是物理學了，而暗物質、暗能量是模型中必不可少的組成部分，去除暗物質、暗能量的話將有大量的天文觀測事實完全無法解釋，除非你故意睜眼不去看那些證據。

我們知道光速是有限的，那麼我們舉頭看向星空時，看到的就是宇宙的過去，電磁波層面上最深的過去就是CMB，即光子的最後散射截面，再之前就被稠密電離氣體擋住了。不同的模型不同的模型參數會預言不同CMB的功率譜以及功率譜上細微的起伏，這個起伏很關鍵，如果沒有起伏那就說明宇宙是徹底均勻的，星系和人類以及多姿多彩的世界就不可能形成。而宇宙暴脹場、早期BAO（重子聲波震蕩）、原初引力波等都會在CMB上留下痕迹，這個痕迹直接與一些宇宙學參數相關，這就是為什麼Planck衛星測到的CMB譜如此重要的原因。此外我們最後定下的參數數值還要與其他上面提到的全部天文觀測數據相符。LCDM模型中不只是普通物質、暗物質密度和暗能量密度這三個參數，另外它們佔比是隨時間變化的，題主這個數值是現在的密度值，數值也不是最新的了，現在是暗能量主導時期。宇宙剛誕生時從低於普朗克能量開始，此時對稱性破缺，引力與大統一場分離，時空出現，然後是暴脹場主導時期，宇宙指數膨脹，能量迅速降下來，對稱性進一步破缺，弱電與強力分離，能量更低再破缺，弱力與電磁力分離，Higgs場被極化，使所有粒子帶上質量，暴脹場退耦能量賦予普通物質，然後是輻射主導時期，最初形成的正反物質數量幾乎是相同的，故而很快正反物質對消大毀滅都變成了輻射，正物質以極其微弱的優勢倖存了一部分形成了我們的可觀測宇宙，反物質被團滅；接下來是物質主導時期，夸克-膠子粥因能量降低開始互相配對逐漸形成質子-中子粥，氫核、氦核形成，能量進一步降低，自由電子的能量減弱到不足以支撐它們自由下去了，被質子拉住，合成中性氫原子，光子終於脫離等離子體的樊籠，可以在空間中任性傳播了，宇宙開始對光子透明，是為光子最後散射截面，可觀測後果就是當前環抱整個地球、太陽系的無指向無衰減瀰漫性到處存在的背景電磁波：宇宙微波背景輻射(CMB)，而暗物質由於暴脹場的量子漲落造成的微弱不均勻性，在引力作用下開始塌縮擴大，塌縮的形成原始暗物質暈，被動擴大的形成了今天直徑可達數億光年的一無所有的宇宙大空泡，普通物質被暗物質帶動坍縮形成高密度星雲星系與原初黑洞，原始恆星點火，核反應開始，序數大於一或二的原子鋰碳氮氧硅等按順序開始生產直到鐵原子，序數大於鐵的原子在恆星晚年的新星爆發時極大壓力作用下偶然生產一些，故而在宇宙中金銀鉑鉛鈾這些都是極為稀有的，在新星爆發的屍體中下一代恆星開始孕育，本尊太陽點火，一些鐵氧硅的殘渣形成地球等行星，這是五十億年前的事；最後是今天的暗能量主導時期，這種不隨空間變大而減弱的密度不變的奇怪能量最終成為宇宙的主宰力量，造成的可觀測效應是宇宙加速膨脹，暗能量導致的後果是很嚴重的，它將使其他的星系徹底遠去，永遠看不到了，星系之間的將來光錐將永遠無法重合，也就是說互相之間一丁點的干係都沒有了，一丁丁點都沒有，銀河系成為徹底的孤島星系，那時的智慧生命將不知道也完全沒有辦法證實其他星系的存在，全憑胡思亂想了。

很自然的問題：暗物質、暗能量本質是什麼？為什麼完全看不見它們、完全沒有電磁作用只有引力作用？它們是真的存在嗎？是不是愛因斯坦廣義相對論方程給人造成的誤導？這是現代物理學中最大的困惑與謎團，關於它們的模型已經提出不下數百個了，千奇百怪啥樣的都有，徹底拋棄愛因斯坦相對論的理論也有不少，但目前沒有一個令人滿意的，因為那些理論解決了一個問題卻帶來一百個更大的新問題。綜上，LCDM標準宇宙模型是物理學界公認的最簡潔、問題最少、最符合實驗事實與天文觀測的模型，地位與日心說差不多，剩下的大疑問就是暗物質暗能量到底是啥？弄清楚這件事與弄清楚宇宙最終的命運是什麼有莫大的干係，當然也有可能像二十世紀初那次物理學界被兩朵烏雲逼迫下誕生相對論與量子力學的事件一樣導致又一次的科技革命。人們哼哼哧哧搞了半天最後發現我們對於宇宙組成的90%以上竟然處於一無所知的狀態！我們能看到的、聽到的、聞到的、觸摸到的固體液體空氣、電磁波、行星、恆星、中子星、星雲、星系、黑洞、類星體等等這些全部普通物質僅僅只佔宇宙組成的極少一部分，是冰山一角，宇宙還深深隱藏著它的重點與主體呢，我們身處暗物質暗能量的絕對包圍之中，是它們而不是普通物質主宰著宇宙的命運。古人云：邪乎到家必有鬼。這裡面一定藏著什麼東西，但是藏著啥呢？反正我是啥也不知道，如果您有好思路，求您告訴我。

而在數值上如何調節這麼多的參數與觀測數據比對也是一門大學問，他們做計算宇宙學的常用COSMOMC這個軟體，基本指導思想就是蒙特卡洛模擬。
待更。。。

Nov-5-2016:
貼上自己寫的那個MCMC程序吧 Imcmc，不過是一年多以前的寫的了，後來逐步發現一些使用不便的地方，還未更新，不過相對而言還是挺好用的（非專業人士，代碼寫得比較捉急。。。）。至於那些我覺著不方便的地方，以後會逐步更新的～對蒙特卡羅模擬有需求的可以直接拿去用

另外再貼個程序，跟下面第二張圖有關，代碼在此：ClassMC

記得給贊~(≧▽≦)/~啊～

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原本就是想答著玩玩的，結果似乎不少人都對此有興趣，而且也給了不少的贊，讓我受寵若驚額～
那等國慶時我再多補充點～再次感謝各位的關注～
Nov-9-2015:稍微更新下，增加一張用自己編寫的MCMC程序結合class和Planck2015的數據得到的宇宙學參數的等高線圖。
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我來試著回答一下吧～首先更正一下題主的問題，這些密度（比率）不是算出來的，而是擬合出來的。

要做擬合，首先得具備兩個條件：1）理論模型；2）數據。先談談理論模型，目前最簡單的宇宙學模型是LCDM，L＝lambda，表示的是宇宙學常數，或者是狀態方程恆等於－1的暗能量，並且其能量、壓強的分布是均勻的。CDM表示的是暗物質。

那麼首先來的問題是，為嘛這個模型裡面會有這兩個傢伙？答案是大家「臆想」出來的，但並不是沒有根據的！！！暗物質的最早證據來源於星系團的速度彌散、星系的旋轉速度曲線，再後來天文學觀測能力更強以後測到的宇宙大尺度結構，比如2dF，再接著就是引力透鏡，這些現象僅僅依靠我們所熟悉的普通物質來解釋遠遠不夠，於是大家就「合理猜測」宇宙中存在著許多看不見的物質（前提是：GR在這些現象的尺度上是適用的！！！）。值得一提的是，暗物質在宇宙大尺度結構形成的過程中起著非常重要的作用：按照目前普遍接受的理解，宇宙中現在的各種不規則的結構都來自於宇宙早期的量子漲落。暗物質的作用呢就是早早的形成一些結構，因為它不參與除引力之外的其他作用，這些結構日後為普通物質聚集提供了場所。如果沒有暗物質，那麼（普通物質的）大尺度結構的生長將會晚得多。先扯扯加速膨脹，嚴格講最初的宇宙加速膨脹的證據並不是對超新星的測量，在那之前已經有一些證據了（忘記在哪篇文獻里看到的了，後面再補上吧）。2000開始，又出現了許多加速膨脹的證據，這篇文獻(http://arxiv.org/abs/1204.5493)里做了非常詳細的總結，然而需要謹記的是，「暗能量」只是一種對宇宙加速膨脹的解釋（「暗物質」也是一種解釋），既然如此，就「約定」一下，加速膨脹確實由暗能量引起的，那麼下面就扯扯如何擬合出它們的密度比率。

現在最簡單的宇宙學模型的參數也不少了，如果用常規的chi-square-fitting來做，幾乎是不可能的，於是乎馬科夫鏈蒙特卡羅大法（MCMC）閃亮登場！MCMC的核心就是計算後驗概率密度，至於怎麼採樣，演算法有很多，最經典的是Metroplis演算法，在此演算法的基礎之上可以延伸出各種性能大增的演算法，比如哈密頓蒙特卡洛（前陣子看了看這個演算法的最新代碼的文檔，此法最多可以處理維度800（模型參數或者是自由參數）的問題，可以說是非常牛逼了！），還有就是affine-invariant ensemble sampler，這個演算法效率奇高！而且演算法本身又非常簡單，我特別喜歡，於是自己以此演算法為核心用C++寫了一個MCMC的庫（打算過些日子公開）。另外還有一個NB的演算法，MultiNest。對此有興趣的請自行搜索～～～

扯了不少了廢話了，下面開始進入正題，AL開發的cosmomc是目前宇宙學研究里的一個標杆性的程序（早期版本應該是他親自開發的，最近的版本似乎都是他專門僱人寫的代碼，風格比早期版本的規範了不知道多少個量級了，然兒還是有些bug，不過這些bug是編譯器的。。。遠了，不扯了），它依賴於CAMB，就是計算CMB功率譜的那玩意兒。假設我們選定LCDM作為需要擬合的模型，然後把觀測數據拿進來，主要就是CMB，SNe，BAO，LSS，WL等等，然後把cosmomc扔到伺服器上，跑上一兩天，嗯，順利的話會生成很多chains，裡面就是相應的宇宙學參數的樣本以及一些用來把觀測數據做「修正」的所謂nuisance parameter。對於這些樣本，可以用cosmomc自帶的getdist處理一下，你就可以得到所有參數的最佳擬合值以及相應的誤差範圍了，還可以用生成的python畫圖腳本來畫出漂亮的「圈圈圖」，比如:

(截自:arXiv:1502.01589v1)

（新增的圖，用我自己寫的程序採樣，再用Antony Lewis的getdist處理，可以對比上面一張圖。注意我只用了一種組合的數據。）

其實以上還是在瞎扯。。。之所以說密度比率是那幾個值，是因為我們選擇了特定的宇宙學模型，加上觀測數據，就這麼擬合出來了！然而這並沒有太多卵用，宇宙學家們、物理學家們對暗物質、暗能量到底是什麼，還是不清楚。。。

看了那些大神的答案完全沒搞懂……我就簡單的說一句：暗物質就是為了擬合現有宇宙狀態的一些我們不知道的物質（比如宇宙膨脹啊什麼什麼的……因為現有物質，就是我們已知的物質能量不足以使膨脹速率減慢……所以認為有我們所不知道的物質存在，這就是暗物質和暗能量。。。），就相當於為了讓方程的解為現在宇宙的樣子填上的一個東西，96%也是迎合方程測出來的。
就比如：
X+4=100
X=96
100就是現在宇宙的狀態，4表示我們已知的物質和能量，所以剩下的96就是暗物質暗能量了咯。

PS.方程是便於理解而過於簡化的。。。要知道具體的內容還請移步那幾個高票答案。

大物書上有部分解釋，對於想被科普的。小夥伴來說，還是不錯的：

我總是懷疑這個世界並不存在什麼暗物質，我們的物理定律可能在宇宙尺度上就是不適用的，需要找到新的物理定律，而不是去觀測暗物質。
求反對求批評！！！！！！！！！！！！！

1933年，天文學家茲威基發現在大星系團中星系運動速度非常快，用星系團中所有看得見的物質計算出的引力不足以束縛住它們，除非星系團的質量增大400倍以上。隨後，天文學家同時用光學方法和力學方法來測算許多天體的質量。驚人的是，用力學方法測算出的質量總是比光學方法測算出的質量大許多。科學家將多出來的這部分質量稱為「暗物質」。
1980年，魯賓等人對許多星系的旋轉曲線進行了詳細的觀察研究，確鑿地證明了除了星系中心附近的發光物質外，在遠離中心甚至在星系暈中均有大量暗物質存在。
2003年，通過美國宇航局的哈勃望遠鏡、日本的昴星團望遠鏡等眾多望遠鏡來研究暗物質三維分布的「cosmos」觀測開始進行。初步勾勒出暗物質的模樣：1，不發出任何光；2，幾乎不和任何物質發生碰撞；3，在宇宙早期速度幾乎是零；4，總質量大約是可見物質的5倍。

早在20世紀20年代，人們就知道宇宙正在不斷膨脹，但是直到90年代後半期，才從觀測結果中驚異地發現，宇宙正在加速膨脹。為了解釋這個加速膨脹，就需要有什麼東西來對抗星系團間產生的巨大引力，由此，人們提出了「暗能量」的概念。與密度不均勻的暗物質不同，一般認為，暗能量在宇宙中的分布是非常均勻的。
廣義相對論是目前唯一能處理大尺度空間問題的物理學理論。愛因斯坦發表廣義相對論後，試著對宇宙空間進行計算，結果發現，宇宙不是處於膨脹中，就是處於收縮中。但愛因斯坦相信，宇宙的大小應該是不變的。為了保持宇宙大小不變，他認為宇宙中必然存在著某種「斥力」，才能對抗宇宙中各種物質所產生的引力。於是他在廣義相對論的方程式中加入了「宇宙常數」，來起到斥力的作用。
1929年，哈勃觀測到宇宙在膨脹。既然宇宙並非恆定，那宇宙常數就不應該存在。因此，愛因斯坦就將「宇宙常數」從方程式中刪除了，並且懊惱地說：這是我一生中最大的錯誤。事實上，當時的觀測並不知道宇宙的膨脹是在加速還是減速，這兩者的結果截然不同。
20世紀末，最新觀測結果確認宇宙在加速膨脹，這就要求必須存在有能使宇宙膨脹加速的「東西」，如此一來，愛因斯坦的「宇宙常數」居然復活了。

研究表明，暗能量具有許多不可思議的性質。

第一點就是暗能量能反抗引力，也就是具有與相互吸引相對立的反向排斥的性質，是「斥力」。可見物質和暗物質都會受引力的影響，而暗能量不會。

第二點就是，無論宇宙空間怎麼膨脹，它的密度也不會被稀釋或者攤薄。這一點與我們熟知的可見物質和不熟知的暗物質完全相反。可以認為，所謂暗能量是空間本身所攜帶的能量，無論怎麼膨脹，依然保持同樣的暗能量密度。

令人意外的是，暗能量和宇宙的誕生與結局密切相關。

現在宇宙由於暗能量的作用而加速膨脹，實際上與宇宙剛剛誕生之後發生的加速膨脹並沒有不同。如果暗能量的密度發生變化，則宇宙的結局也會相應變化。第一種是暗能量的密度保持不變，宇宙就按照現在的勢頭加速膨脹下去；第二種是暗能量的密度變小，宇宙就會由膨脹轉入收縮，最後發生擠壓；第三種是暗能量的密度變大，宇宙的加速膨脹可能把星系、恆星甚至原子都撕裂。

源於早期宇宙的光，其中的溫度起伏以及那些起伏的分布模式，可以用來推算宇宙由什麼構成。「普朗克衛星」得出的宇宙成分及其所佔比例為：普通物質佔4.9%，暗物質佔26.8%，暗能量佔68.3%。

20世紀初，「物理學晴朗天空上」飄著「兩朵烏雲」，「以太漂移實驗的零結果」這朵烏雲導致了相對論的誕生，另一朵叫「黑體輻射引起的紫外災難」的烏雲則催生出了量子論。相對論和量子論被認為是20世紀物理學上兩大奇蹟。現在，暗物質和暗能量，這兩「暗」會否在21世紀催生出更為奇妙的理論和方程式呢？

為了解釋紅移（宇宙加速膨脹）

大尺度宇宙中只有引力，這樣無法解釋宇宙為什麼會加速膨脹。
所以要假設一種東西，具有斥力。
斥力即負的引力，所以假設這種東西的一切跟實際物質相反。即暗物質。

有了暗物質，然後這個模型就能解釋宇宙加速膨脹了，代到各種模型算，看看多少量的暗物質能符合觀測到的宇宙膨脹速度即可。

我簡直是一枚弱智

黑夜中，我拿了手電筒照了下牆壁，然後我看見了牆。

然後我再照了另一個暗牆，手電筒的光打過去，沒有反射回來，我也就沒看見這個牆。

這個牆和暗物質有點像，看不見是因為光反射不出來，還以為前面沒有牆。

如果我換個手電筒，這個手電筒有些特殊，發出的光可以在任何牆面反射回來，那麼這個暗牆也就可以照的到。

這個手電筒也就是我們觀察宇宙使用的哈勃類的望遠鏡。

看不見的暗物質說明我們打出的光遇到暗牆，沒有回來。

您好：

目前，世界科研前沿正在探索的暗物質，已被科學界認定為人類有史以來所面臨的最大機遇。並因探索之中面臨最大的挑戰，將其列為全世界科學領域的世紀謎題。許多國家投入巨資，採用多種方法予以探索，期望率先獲得突破。

我研究發現，老子著述的《道德經》中蘊藏著破解暗物質謎題的成功方法。我們學用該方法，可為探索暗物質另闢蹊徑。為使該方法廣為人知，嘗試著將粗淺認識寫成《悟道》等幾篇文稿。

現將「我的『悟道』」附後。敬請審閱，不吝賜教。

關於《悟道》正文，上網點擊《老子有方法，可解暗物質謎題》，即可下載。

歡迎您於百忙之餘，對此發表意見。共同詮釋老子的方法，讓其為今所用，造福人類。

謝謝

敬禮

李明

二O一六年十月日

我的「悟道」

我結合現代科學家描述的暗物質，對老子講的道進行探索性研究，寫成《悟道》一文。文中從全新的視角對道予以詮釋。從而發現老子有奇特的方法，我們可用來為探索暗物質另闢蹊徑。

暗物質與光線不發生作用。由於人眼睛看東西是通過感受光線來實現的，因此，採用常規方式，包括動用現代儀器設備都不能對其進行觀測。目前，科學界通過引力效應等方式，證實暗物質的客觀存在，已將其列為全世界科學領域的世紀謎題。

究竟何為道？千古以來仁者見仁，智者見智，始終未有統一定論。如今的人們普遍認為道僅僅是道理、道義和道德等「精神」層面的含義。只有部分國學專家們異口同聲地說：「道是物質性的」。但是，無人對此做過深入探究，並未闡明道是什麼樣的物質。

拙作《悟道》一文解讀出：老子講道之中，首先闡述他對道「物質」的探索認知，爾後才談其「精神」層面內涵。該道物質與暗物質頗為相似，兩者同屬「視之不見……聽之不聞……搏之不得」的，也就是看、聽、摸等常規方式不能予以感知的物質，應稱之為無形物質。老子對無形物質十項特點所作的論述，能與現代科學的最新研究成果全面相互印證，說明他有成功的探索方法。老子那個時代，一無科研團隊，二無儀器設備，他能獲此成就，足見其方法是卓有成效的。我們予以關注。

既然道與暗物質同屬無形物質，那麼，能對道實現探索認知的成功方法，自然可用來破解暗物質謎題。關鍵是要將該方法詮釋出來。這是弘揚中華民族的傳統文化，也是世界科學的最新科研課題，具有現實意義與歷史意義。為此拋磚引玉，正是《悟道》一文的初衷和落腳點。

李明

二O一六年九月二十八日

什麼叫暗物質，看不見就說看不見，弄得那麼高深的樣子，這個宇宙人類能看到的屈指可數，電磁波頻段我們也就能看見可見光，所以說，不是為什麼暗物質那麼多，而是我們為什麼看的少，因為我們的物理規律只是適合地球，宇宙還有許多高端或者不同的演算法不知道

我一直覺得暗物質暗能量是人類的科學落後和認知局限的證明。用現在的宇宙模型來計算，竟然發現誤差達到90％以上，這什麼誤差，這是錯誤！
不承認模型錯誤和局限而把不能解釋的宇宙現象搪塞給一個虛構的東西，暗物質暗能量，簡直是扯淡。
不如看看我這個模型怎麼樣：地球才是宇宙的中心，之所以理論跟計算不符，也是因為暗物質暗能量的存在。

有些民科啊，真不用來強答的...

２００１年春，由於正在寫一本關於愛因斯坦的書，我參加了一次有關當代宇宙學的學術會議，希望了解有關廣義相對論的最新想法。結果，我的收益卻遠超於此：產生了再寫一本書的想法——也就是這本書，《4%的宇宙》。那次會議的主題原本是討論暗物質——那似乎充滿了整個宇宙的一種神秘物質。自２０世紀７０年代以來，天文學家們已經注意到，像我們銀河系那樣的旋渦星系自轉速度如此之高，本來早就該失去控制，分崩離析，向四周散射出恆星和氣體。可是，它們顯然沒有這樣。這件顯得似是而非的事情讓一些理論家懷疑，是否存在一個由其他某種東西構成的暈圈，將每個星系束縛起來，使一個個由恆星和氣體組成的扁平旋渦盤都達到某種正確的物質比，剛好能維持其自身的穩定，而不會因引力而遭受破壞。他們將這種神秘而不可見的物質稱為暗物質。

這正是我期待在那次會議上能夠聽到的主題，並且我確實聽到了。但是有點令我驚奇的是，另外一個主題也已經脫穎而出：暗能量。

在２０世紀２０年代末、３０年代初提出的大爆炸宇宙模型中，一切都起源於一個某種類型的「本初火球」，並從此處於持續膨脹之中。物理學家們很快就了解到，由於所有物質都會對其他物質產生引力，任何這樣的膨脹都將會逐漸變慢。按照膨脹減慢的比率，宇宙最終要麼自我坍縮，要麼達到某種平衡。

正如本書的讀者們將會讀到的，２０世紀９０年代，出現了兩個相互競爭的科學家小組，試圖藉助各種最新的技術優勢測出這一比率。到１９９８年，他們得到了答案——但是卻與他們希望發現的答案相反。

宇宙的膨脹並沒有在減慢，而是正在加速。

理論家們早已知道了這種可能性的存在，它就包含在愛因斯坦方程之中，但很少有物理學家對它進行過什麼思考。可是，現在他們卻不得不認真對待這種可能性。就是說，在宇宙的尺度上存在某種東西，大得足以對引力產生反製作用——他們把這種東西稱為「暗能量」，因為找不到更好的名字。到了２００１年我參加的這次會議上，有兩個問題已經在理論天體物理學領域佔據了支配性地位：暗能量是真實的嗎？如果是，那它是什麼？

在會議的進行中，出現了相當戲劇性的一幕。當１９９８年發現的宇宙加速膨脹為最初的發現提供了支持性證據時，對第一個問題的回答已經變得顯而易見——證據是如此不可抗拒，在場的宇宙學家們被名副其實地鎮住了。

只有我沒有被鎮住。那時，我對該問題的了解還不足以讓自己理解眼前的一切。但是，從聽眾們的反應來看，我知道我所目睹的是一件大事。坐在那裡，我想到，假如他們所說屬實，那麼在宇宙中佔主導地位的就是暗物質和暗能量；而我們一直不假思索地假定的那個宇宙其實只是它真實存在中的一個非常小的零頭。你、我、你讀著的這本書、地球、行星、恆星、星系——我們所能看到的一切只不過是宇宙總質量和能量的百分之四，或者像這次會上的一位發言者所說的，像「一朵浪花上的泡沫」一樣。

當時我想，那是一個故事。那是科學上的一次革命，那是思想上的一次革命，那就是我要寫的一本書。

甚至在完成關於愛因斯坦的那本書之前，我已經開始搜集對暗物質和暗能量的研究。到了有機會開始全身心投入《4%的宇宙》時，我開始和相關領域中的領軍人物們會談。他們為我重述以前的研究，向我展示他們目前正在開展的研究。（我在本書英文版的後面列出了哪些是科學家們向我提供的信息，哪些是我自己見證過的事情。對本書寫作中這一部分工作感興趣的讀者可以參考。）

至於第二個問題——什麼是暗能量？ ——科學家們仍然在尋找答案，包括中國科學家。事實上，中國可能將在２０２０年在南極建成「崑崙暗宇宙巡天望遠鏡」（ＫｕｎｌｕｎＤａｒｋＵｎｉｖｅｒｓｅＳｕｒｖｅｙＴｅｌｅｓｃｏｐｅ）。到時候，中國科學院將在這項探索中起到主導作用。

我自己沒有科學背景，我的經驗在於寫小說和新聞報道。但是，在就科學進行寫作的過程中，我可以將這些專業結合起來。新聞記者的背景使我知道應該做些什麼樣的功課，使自己能夠理解科學。而我寫小說的背景則使我能夠像敘事一樣講述科學家們的故事——當然，必須完全是事實的，但是卻充滿了小說的手法，讓故事生動展現：對話、動作、衝突（正如你們將會讀到的，這個故事中存在許多衝突，就在為作出關鍵發現而彼此競爭的科學家們中間）。

我肯定不是第一個用小說手法來進行非小說寫作的作家。但是，我認為，在描述科學活動的人性化側面上，這種手法會非常管用——畢竟科學是一種非常人性化的奮鬥，其中充滿崇高的目標與小小的嫉妒，艱苦的工作與好運的光顧，失望時的肝腸寸斷與大勝時的血脈賁張。我希望，讀者和我並肩同行。我們可以一同去領略科學上哪怕是最具挑戰性的那些方面，因為我們與那些科學家們同樣也是並肩而立的，就在他們問出那個橫跨寰宇文明、貫穿千秋萬代的問題的時候：被我們稱作宇宙的這個東西究竟是什麼？

理查德·潘內克

2014年12月於紐約

有時我在想，現在觀測宇宙的結論是所有星系都在彼此遠離，是不是因為我們認識的維度太少造成的？假設所有星系距離都是相對固定的，我們於a時站在A點觀察宇宙中的B點，由於AB兩點距離太遠，a時我們所觀測到B點的情況實際上是B點於a-k時的情況。這個k應該就是以光速於AB兩點間傳播1次所需的時間。把時間這個維度的因素考慮進去之後，再加入引力的影響，是否會使這個k處於不斷的變化之中呢？

看到有些人說是科學家在忽悠的，我真是坐不住了！請相信大部分的人都有尊嚴的。

簡單的說，理論與實驗不符時，研究人員就會在已有成立的理論中合理假設一些還未發現的東西。

打個比方，我們可以自由行走在空曠的路面上，但遇到「牆」時，我們就無法前進。這就是一個已有的理論。當在一個看起來空曠，實際上我們無法自由通過時，我們很自然的假設有「牆」的存在。此外，研究人員發現除了看不見以外，其它所有現象和有「牆」的情況一模一樣時，基本上，與這看不見的牆相關的一個新的理論就誕生了。現實上也差不多。（雖然我沒有具體表述，期間的論證的過程都是很嚴謹的。）

同樣，由於觀測光的性質和理論上光的性質不符，自然就會假設這是某種物質的影響造成的。接著，造成這種不符和巨大質量的存在造成的影響很像。於是就把這種巨大質量的物質命名為暗物質。

至於為何是96%

一個人能抬10kg的物體。那麼即使我們不直接稱重，100人才抬的動的東西，重量很容易就能推算大概在1t左右。

1-4%=96%

暗物質和暗能量是神級宇宙文明的作品，他們利用某種超級科技將普通物質變"暗"，為他們所獨有，生活在其中避免了其他文明的打擾和入侵。

有時候我覺得宇宙就是某高次元生物吐在空氣中的一團不斷彌散的煙罷了

根據相對論算出來的
計算值於實際值不符合
實際值/計算值就是題目的比例
這種前提是相對論的絕對正確