什么是暗能量和暗物质？

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爱因斯坦

在 1990 年代初期，关于宇宙膨胀的一件事是相当确定的。它可能有足够的能量密度来阻止它的膨胀和重新坍缩，它可能具有如此小的能量密度以至于它永远不会停止膨胀，但随着时间的推移，重力肯定会减缓膨胀。诚然，没有观察到减速，但从理论上讲，宇宙必须减速。宇宙充满了物质，引力的吸引力将所有物质拉到了一起。

然后是 1998 年，哈勃太空望远镜 (HST) 对非常遥远的超新星的观测表明，很久以前，宇宙实际上比现在膨胀得更慢。所以宇宙的膨胀并没有因为万有引力而变慢，而是像大家想象的那样，一直在加速。没有人预料到这一点，没有人知道如何解释。最终理论家们提出了三种解释。也许这是爱因斯坦引力理论的一个长期废弃版本的结果，其中包含所谓的“宇宙常数”。

说不定有什么奇怪的能量流充满了空间。也许爱因斯坦的引力理论有问题，而一个新理论可能包括某种产生这种宇宙加速度的场。理论家们仍然不知道正确的解释是什么，但他们已经给了解决方案一个名字。它被称为暗能量。

什么是暗能量？

未知的比已知的多。我们知道有多少暗能量，因为我们知道它如何影响宇宙的膨胀。除此之外，这完全是个谜。但这是一个重要的谜团。事实证明，宇宙中大约 68%是暗能量。暗物质约占 27%。其余的——地球上的一切，用我们所有的仪器观察到的一切，所有正常物质——加起来不到宇宙的 5%。想想看，也许它根本不应该被称为“正常”物质，因为它只是宇宙的一小部分。

这张图揭示了自 150 亿年前宇宙诞生以来膨胀率的变化。曲线越浅，扩张速度越快。这条曲线在大约 75 亿年前发生了显着变化，当时宇宙中的物体开始以更快的速度飞散。天文学家推测，更快的膨胀率是由于一种神秘的黑暗力量将星系拉开。（图片来源：NASA/STSci/Ann Feild）

暗能量的一种解释是它是空间的一种属性。阿尔伯特·爱因斯坦是第一个意识到空无一物的人。空间具有惊人的特性，其中许多特性才刚刚开始被理解。爱因斯坦发现的第一个特性是可能存在更多空间。然后是爱因斯坦引力理论的一个版本，这个版本包含一个宇宙常数，做出第二个预言：“虚空”可以拥有自己的能量。因为这种能量是空间本身的属性，不会随着空间的膨胀而被稀释。随着更多空间的出现，更多的空间能量会出现。结果，这种形式的能量会导致宇宙膨胀得越来越快。不幸的是，没有人理解为什么宇宙常数应该存在，更不用说为什么它具有导致观测到的宇宙加速的正确值。

这张图片显示了合并星系团 Abell 520 核心中暗物质、星系和热气体的分布，该结果可能对暗物质的基本理论提出挑战。

空间如何获取能量的另一种解释来自物质的量子理论。在这个理论中，“空的空间”实际上充满了不断形成然后消失的临时（“虚拟”）粒子。但是当物理学家试图计算这会产生多少能量时，答案是错误的——错了很多。这个数字太大了 10 120倍。那是一个 1，后面有 120 个零。很难得到那么糟糕的答案。

所以谜团还在继续。对暗能量的另一种解释是，它是一种新的动态能量流体或场，它充满了整个空间，但对宇宙膨胀的影响与物质和正常能量的作用相反。一些理论家将这种“精髓”命名为希腊哲学家的第五要素。但是，如果精髓是答案，我们仍然不知道它是什么样的，它与什么相互作用，或者它为什么存在。所以谜团还在继续。最后一种可能性是爱因斯坦的万有引力理论是不正确的。这不仅会影响宇宙的膨胀，还会影响星系和星系团中正常物质的行为方式。

这一事实将提供一种方法来决定暗能量问题的解决方案是否是一种新的引力理论：我们可以观察星系是如何聚集在一起的。但如果事实证明需要一种新的引力理论，那会是一种什么样的理论？它如何能像众所周知的爱因斯坦理论那样正确地描述太阳系中天体的运动，并且仍然为我们提供我们需要的对宇宙的不同预测？有候选理论，但没有一个是令人信服的。所以谜团还在继续。在暗能量可能性之间做出决定——空间属性、新的动态流体或新的引力理论——需要更多的数据，更好的数据。

什么是暗物质？

通过将宇宙组成的理论模型与宇宙学观测的组合相匹配，科学家们得出了我们上面描述的组成，~68% 暗能量，~27% 暗物质，~5% 正常物质。什么是暗物质？我们更确定暗物质不是什么，而不是我们是什么。首先，它是黑暗的，这意味着它不是我们看到的恒星和行星的形式。观测表明，宇宙中可见物质太少，无法满足观测所需的 27%。

其次，它不是由正常物质构成的乌云，即由称为重子的粒子组成的物质。我们知道这一点，因为我们将能够通过它们吸收穿过它们的辐射来探测重子云。第三，暗物质不是反物质，因为我们看不到反物质与物质湮灭时产生的独特伽马射线。最后，我们可以根据我们看到多少引力透镜来排除大型星系大小的黑洞。高浓度的物质会弯曲从远处物体通过它们附近的光