怎麼理解暗物質和暗能量？

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直觀來說我們認為宇宙中的物質就是肉眼可見的星系等，但由觀測發現的星系旋轉曲線，如果依據牛頓萬有引力定律其旋轉速度 $frac{GMm}{r^{2}}=frac{mv^{2}}{r}$ , $vpropto r^{-1/2}$ ,越靠外的部分，旋轉速度應該越慢。但觀測卻得到了相反的結果，在靠外的部分速度逐漸趨於常數。因此一種合理的猜測就是宇宙中存在很多肉眼不可見不發光的物質，同時根據平均質光比的估計，暗物質不是很少，而是很多，佔據了絕大部份。
有一部分的暗物質的存在是可以想像的，因為宇宙中存在黑洞，白矮星，中子星這些不可見的物質，它們具有很大的質量，會貢獻其中一部分物質即重子暗物質。但是又根據原初核合成理論，又會對重子暗物質的多少進行限制，根據相關計算，可以發現暗物質中又有絕大部分的非重子暗物質（WIMP），非重子暗物質不容易想像，首先因為它不可見，應該不會發生電磁相互作用，中微子是一個有可能的非重子暗物質的候選者。悟空號探測器也是為了尋找非重子暗物質存在的痕迹進行的，目前而言尋找工作還沒有很可觀的進展。
同時，除了引入暗物質之外，也有另外一些人認為需要修正引力理論。其中比較有名的是MOND（修正牛頓引力理論）理論，和星系旋轉曲線符合的很好。當然最近Verlinde從糾纏和引力的演生這個角度解釋了暗物質的問題。
關於暗能量，這個問題要更加複雜一些，暗能量的研究起源於我們發現的宇宙加速膨脹現象，根據直觀的想像，因為物質間的萬有引力作用，膨脹應該是減速的，但是最近天文學的觀測結果發現了宇宙是加速膨脹的，因此必然存在著一些斥力的貢獻，這就是暗能量問題，暗能量的候選者是宇宙學常數，或者叫做真空能。我們都知道，對於量子諧振子而言，真空基態能並不是0，而是 $frac{1}{2}hbar omega$ .
因此考慮了量子效應，真空能應該是無窮大的（這是一個量子場論中典型的紫外發散），如果採取動量截斷正規化可以大致可以得到它的數值，但是它卻和觀測值相差 $10^{120}$ 倍。即使考慮了超對稱，也相差 $10^{60}$ 倍，這大致是最差的預言了。另外，如果考慮原來就存在一個宇宙學常數，宇宙學常數效應也很大，並且和真空能抵消成接近於0的數值，那麼是什麼機制使得它可以如此乾淨的抵消也不清楚，這就是所謂的宇宙學常數的問題。

進一步了解可以參考：
1 梁燦彬《微分幾何與廣義相對論》第一卷第十章
2 arXiv:1609.09781
3 http://www.livingreviews.org/lrr-2001-1 sean carroll ,cosmological constant
4 arXiv: 1611.02269v2 Eric Verlinde.

人們發現漩渦星系的旋轉曲線在經過峰值後變得平坦，而不是快速下降。如果承認牛頓引力定律在星系尺度上有效，我們必須接受漩渦星系的遠離中心的地方存在大量的物質，它們的質量維持了旋轉曲線。這些假設的物質與觀測事實矛盾，即星系遠離中心的地方並沒有觀測到大量物質，於是人們認為這下物質是所謂的不發光的物質——暗物質。

暗物質出爐後，部分人想知道它究竟是什麼，猜了好多模型，褐矮星（質量小於0.08太陽質量的恆星，無法進行核聚變反應）、黑洞、暗星雲，中微子，大質量弱相互作用粒子，軸子等等。部分人拋棄暗物質假設，想修正廣義相對論（星系尺度廣相退化為牛頓理論了）。

但是，不久更鬱悶的事情發生了。某些普遍存在的現象不是拋棄暗物質假設，修正廣相就能搞定的。

引力透鏡效應。分析星系、星系團甚至暗天體對背景天體的引力透鏡效應，獲得星系、星系團的質量和質量分布，遠超可見物質的質量。如果我們修正廣相，那麼引力透鏡咋解釋？
星系碰撞。哈勃望遠鏡拍攝到大量的碰撞中的星系，對它們的研究發現，發光物質的質心和星系的質心不重合。考慮到碰撞過程中星系形狀的無規則改變，你說怎麼改廣相，使得兩個質心重合？
星系團的穩定性。人們常問，暗物質在哪？答：星系中。可是星系團的穩定性動搖了這個想法。星系團的發光物質的質量遠不足以阻止星系的逃逸，暗示暗物質不僅在星系中，也在星系團的非星系的空間，真真切切的暗物質。

暗能量，來自宇宙加速膨脹的觀測事實（1998年美國兩個超新星巡天組發現的，考慮到超新星模型的扯淡本人比較懷疑）。普通物質、輻射、暗物質都是能產生引力的，經歷暴漲後，宇宙先後是輻射主導、物質或暗物質主導，講道理應該是減速膨脹的。於是，人們只好修改弗里德曼方程，加入一個負壓強的常數項，產生排斥。隨著物質等日漸稀薄而它不變，一朝超越引力導致宇宙加速膨脹。

你們這些個同志，答得很多，也答得很好，但是，組織上有組織的安排。
事實上暗物質和能量不存在，人們之所以會誤解是因為人們在計算宇宙的時候假設宇宙中所有物質的分布是均衡的，用愛因斯坦的廣義相對論去解的時候解出來是近似解。考慮了宇宙的，或者說星與星系與星系網結構以後用相對論解，解出宇宙不同局部膨脹速度不一樣，整體加速，和引入暗能量暗物質的結果基本一致。

暗物質和暗能量應該是現有理論無法解釋現有宇宙間的現象的一種假設（主流觀點）。暗物質是人類在觀測星系時發現把所有已觀測到的物質全部加在一起所造成的引力也遠遠無法達到維持星系的結構，所以科學家就假設有能形成引力但無法觀測並且瀰漫在星系內部的暗物質。暗能量是人類在早期發現宇宙中的絕大多數星系都在遠離我們推測出了現在的大爆炸主流理論，人類根據現有理論推測如果所有物質如果低於一個指標則引力效果將會小於大爆炸產生的初始能量也就是所有物質將會趨向于越來越遠，如果高於指標則相反也就是引力最終會將物質再次全部合而為一。天文學家觀測宇宙後發現宇宙中的物質質量遠遠高於這一指標，所以推測將來由於引力效果又回最終合而為一。但是上世紀90年代通過觀測發現宇宙中的星系都在比想像中還快的速度遠離我們，而且還在加速，所以科學家推測有個我們目前觀測不到的暗能量在推動著其他星系遠離我們。當然暗物質暗能量是目前的主流觀點，還有一種非主流觀點則認為我們現有的理論是錯誤的，或者說現有理論不能套用到整個宇宙，就好像經典力學不能套用在高速微觀層面