暗物質&暗能量：未知的~95%

在過去的40年里，天文學家意識到所有我們能看到的東西（包括恆星、行星和星系等等）只佔有了整個宇宙的不到5%！那麼其它的那~95%是什麼呢？最簡短的答案是：不知道。這未知的~95%被物理學家稱之為暗物質和暗能量。

簡單來說，暗物質就是看不見的物質，但是科學家可以通過暗物質對恆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後黑手。

我們並不確定暗物質和暗能量之間是否存在著關聯，事實上它們兩者很有可能是完全不同的現象。之所以都稱之為「暗」只是因為我們看不見它們。

Dark Matter

暗物質

它是如何被發現的？

至1930年代起，天文學家就發現星系的旋轉並不合理。所有的旋臂星系外圍的恆星比預期的速度要旋轉的快很多（星系的自轉曲線）。這就意味著如果星系主要的質量來自發光物質，那這些星系外圍的恆星應該早已逃離到外太空去。但是，如果我們假設有額外的質量圍繞著星系，那麼星系的自轉曲線就可以被解釋，這些額外的質量便是「暗物質」。

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

我們知道些什麼？

我們知道暗物質不發光（也不吸收和反射），所以它不可能是遊盪行星或者普通物質構成的氣體雲。我們知道它是「冷」的，意思是說相對於光速它運動的非常慢。我們知道暗物質可以傳遞引力。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——否則暗物質就會在自身的引力下坍縮而形成諸如星系的構造，而不是我們觀測到的球狀「暈」。

還有，暗物質佔據了宇宙總量的26.8%。

暗物質會是什麼？

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）。暗物質很可能圍繞著我們，並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於微觀粒子。

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

歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）的其中一個目標就是尋找WIMPs（LHC在2013年發現了希格斯玻色子），通過將質子加速近光速並對撞就有可能產生難以捉摸的暗物質粒子。

我們可以探測到暗物質嗎？

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

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

不過，還有一個可能是科學家永遠也無法直接探測到暗物質，特別是如果暗物質粒子不發生弱相互作用。

暗力和暗光子

另外，一些物理學家提出暗物質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。這類似於普通質子依靠電磁力進行相互作用的情形：當兩個質子相互靠近時，每個質子都將釋放一個光子——電磁力的載體——並吸收對方的光子。

或許暗物質有很多類型，有一些通過暗力相互作用，而有一些不是。

Dark Energy

暗能量

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它是如何被發現的？

在19世紀初，物理學家（包括愛因斯坦）認為宇宙處於靜態和不變的。但是，在1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃對爆炸恆星運動的觀測發現了宇宙正在膨脹。事實上宇宙必須有個開端，那一刻稱之為大爆炸。

在大爆炸之後，物理學家曾經認為由於引力的作用，宇宙的膨脹應該會逐漸慢下來，最終所有的東西又重新聚在一起。問題在於宇宙是否是在某一個時刻停止膨脹並開始往回收，最終形成大坍縮。

直到1998年，事情變得複雜起來。

利用哈勃用過的同樣方法（以及以哈勃命名的太空望遠鏡）天文學家發現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離。

這是一個奇怪並且出乎意料的結果。這就好比是你開車在高速賓士，然後你鬆開油門，可是車不僅沒有慢下來反而加速了！

由於觀測數據非常具有說服力，因此物理學家意識到宇宙的膨脹或許是由於某種能量驅使的，也就是所謂的「暗能量」。

我們知道些什麼?

我們知道暗能量與宇宙的命運息息相關。我們知道它有點像反引力，使所有東西都相互遠離。我們也知道暗能量並不是一開始就有的，而是在宇宙大爆炸後的數十億年開始支配著宇宙。

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

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暗能量會是什麼？

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。

在量子力學中，「空的空間」並不是完全空的，而是充滿了粒子湯，粒子不斷的出現、湮滅。雖然聽起來很奇怪，但是物理學家已經在實驗室里測量到由這些「虛粒子」造成的力。

問題是，當物理學家嘗試計算這些虛粒子在每立方米中的能量貢獻時，得到的結果是一個巨大的數字：10^120，這要遠遠超出暗能量的密度（可以從宇宙的膨脹率中計算）。這樣的一個數字——1後面再加上120個零，被稱為「物理史上最差勁的理論預言」。

精質暗能量

一些物理學家認為暗能量類似自然界中的第五種力，瀰漫在整個空間。他們把它稱之為「精質」，這個名字來自於古希臘哲學家預言的第五種元素——被認為充滿地球以外的宇宙空間。

精質是一個簡單的標量場，回想早期宇宙學的暴漲模型，一個簡單的方法就是用一個慢滾的標量場來實現宇宙的暴漲。特別是一個僅依賴於時間演化的標量場與均勻各向同性相符的，所以物理學家自然就聯想到暗能量就是一個標量場。但是目前在自然界中還沒有發現基本標量場，儘管粒子物理標準模型中有希格斯標量粒子；在高緯的統一理論如超弦理論中存在大量的標量場。

大撕裂和幻影暗能量

在一些理論中，精質會一直越來越強，這種情形下就會演變成物理學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，它會摧毀整個宇宙。

屆時宇宙的膨脹會持續的加速，並最終達到光速。那麼情況會是這樣的：首先星系和恆星會四分五裂，太陽和地球之間的空間會膨脹的比光速還快，直到最後物質無法被束縛在一起，原子也被撕裂。最終的結局就是宇宙在一場大撕裂中變得死寂。

新的引力理論？

也或許，暗能量並不是什麼新的力，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，量子引力效應必定對廣義相對論有一定的修正；在宇宙學尺度上，並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是一個合理的選擇。相關的理論有：鬼凝聚、f(R)引力理論和膜世界圖像等等。

ΛCDM Model

ΛCDM模型

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

這是當前天文物理學家能夠對宇宙所有現象給出的最合理的模型。比如它解釋了宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結構以及宇宙加速膨脹。

在這個圖景中，暗物質佔據了宇宙總質量-能量的26.8%，暗能量則為68.3%，而普通物質只佔了不超過4.9%（普朗克衛星的結果）。

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

本文經授權轉載自原理微信公眾號