暗物质和暗能量究竟是什么？

1. 暗物质和暗能量究竟是什么？

暗能量、暗物质是如今天文学和物理学最前沿的研究领域。但如果你要问，暗能量是什么？暗物质是什么？客观地说，按照目前的情况来看就是不知道它们是什么？
你可能要纳闷了，咋可能会不知道它们是什么？事实上，就是如此神奇。如果你非要问它们到底是什么，那严谨地来说它们就是两个超越如今理论物理学范畴的物理现象。那为什么这么说呢？
今天，我们就来聊一聊这个话题。
暗能量
我们先从暗能量说起。说起暗能量，我们不得不从物理学大神牛顿说起。

我们牛顿提出过一个著名的“万有引力定律”，这个定律描述的是两个物体之间的吸引力。

牛顿通过这个理论统一了天上和地上的物理学。然后，他就是名声大噪，成为了物理学史上超神级存在的物理学家。但同时他也是痛苦的，因为在万有引力提出的那一刻，牛顿就面临了一个巨大的问题。我们来想像一下，宇宙中有大量的天体，这些天体都是有引力的。于是，在引力作用下，它们就会聚在一起，最后成为一个点。

但是我们知道，宇宙都没有在引力的作用下向中心收缩，这不就和万有引力的结论矛盾了吗？
在这样的情况下，牛顿不得不假设宇宙是无限大的。于是，宇宙各处的引力平衡，也就不会出现向中心挤压的情况。但为什么宇宙是无限大的？有什么证据吗？至少在那个时候是没有证据的。
后来，到了1998年，科学家基于对Ia型超新星的观测，发现宇宙正在加速膨胀。你看，不仅没有收缩，反而在膨胀，这说明什么？
这其实说明宇宙中还存在着某种主导宇宙膨胀的力，而且这个力恰好引力的作用是相反的，也就是斥力，否则不会出现这样的现象。科学家为了解决这个问题，就把提供这个力的物质称为暗能量。进一步研究，科学家还发现，在距今45亿年前，暗能量就主导了宇宙，迫使宇宙加速膨胀。

暗物质
至于暗物质的情况也很类似。科学家就发现，在星系周围的恒星应该是距离星系中心越远，速度越慢，这才是符合牛顿的万有引力定律的。
可通过观测，科学家就发现事实并没有那么简单，除了极少的小星系之外，绝多数的星系都出现了，距离越远，速度没有放慢的结果。

所以，科学家就在思考，势必存在着某种物质提供了额外的引力，确保这行恒星不会飞出去。试想一下，如果没有这个物质的存在，没有额外的引力，那星系就会分崩离析，恒星都被甩出去。就拿太阳系来说，照理说太阳的速度应该是160km/s，结果观测的结果却是240km/s，如果按照目前银河系所能提供的引力，太阳是一定会飞出去的。所以，应该有东西通过万有引力拉拽住了太阳。

基于这个现象，科学家把提供额外引力的物质叫做暗物质。按照目前的观测结果来看，暗物质只参与万有引力的作用，不参与强相互作用和电磁相互作用，只有极其小概率会发生弱相互作用。
暗能量和暗物质
暗物质和暗能量有个共同点，那就是我们观测不到。这也说明了眼见不一定为实，因为肉眼并不是什么都看得到。
科学家如今可以通过观测加上理论的方式计算出宇宙中暗能量和暗物质的比例。结果，他们发现这两者的比例比可见物质要多得多。

换句话说，人类观天几千年，结果仅仅看到了宇宙总量不到5%的物质，剩余的我们都看不到。而如今我们也仅仅知道暗能量和暗物质在宇宙中的占比而已。至于暗能量和暗物质到底是什么，除了大量的假说之外，并没有什么石锤。
更令人无奈的是，暗能量和暗物质的比例，其实就会直接决定未来宇宙的宿命，比如：大撕裂，大挤压。

所以，对于它们的研究是十分必要并且重要的。如今各国也都有许多相关的研究项目。而在没有相关石锤出来之前，我们只能说暗能量和暗物质其实对应的是两种和目前理论不相符的物理学现象。

2. 暗物质 暗能量究竟是什么？它究竟以什么方式存在的？

暗物质 Dark Matter 什么是暗物质？暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5％左右)。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。 几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。  编辑本段 发现证据  大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。  在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。  当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。  暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。  不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。  另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。  在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。  但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。

3. 暗能量究竟是个什么东西，还有暗物质

【解答】暗物质是宇宙自诞生起形成的用肉眼基本观察不到，但确实存在的物质。暗物质中可能存在反物质，也就是阳电子。暗物质是构成宇宙的基本要素。
【名词解释】暗物质在宇宙学中又称为暗质，是指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。
【研究历史】
大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系
具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。
在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于
一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。
不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。
但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。

4. 研究暗物质和暗能量是什么？

暗物质是天文学家卡普坦在1922年时提出的，宇宙中可能存在着一种看不见的物质。暗物质不和电磁波发生作用，也不反射光，所以不管用多厉害的望远镜通通观察不到。但是暗物质到底真的存在与否还有不少争议，需要我们继续去探索。

5. 什么是暗物质，暗能量？

暗能量是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。宇宙学中，暗能量是某些人的猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。
     普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西，即使藏身于最黑暗的角落，只要有光照总能发现它们。而在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的就是暗物质。暗物质的物理组成到底是什么？科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成，中微子的运动速度很快，可称之热暗物质；相对的，候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。
这些是搜来的，名词解释太抽象了，所以还是看些系统点的理论书或科技书后才更易理解

6. 什么是“暗物质”和“暗能量”？

到目前为止，物理学家和天文学家根据观测事实和理论推测，构建出各种各样的宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型，宇宙在加速膨胀也是公认的事实。而暗物质是基于现有引力理论的一种假想物质，暗能量是基于现有宇宙模型的一种假想能量。

暗物质和暗能量的存在能够解释一系列令人困扰的天文观测现象，也能在现有理论模型下能够很好地解释宇宙的演化和存在，可是还没有实验能够直接探测到暗物质和暗能量并为它们的存在进行决定性地描述。但是，很多新的观测现象都指向同一个事实：暗物质和暗能量是真实存在的。

一直以来，物理学对于物质本质的描述，朝着两个极限不断前进。一个是微观极限，现在已经深入到原子核内部；另外一个是宏观极限，现在已经扩展到整个宇宙。从微观上讲，标准模型能够解释到目前为止发现的大部分粒子，标准模型也是基于地球上的物质、对撞机产生的粒子以及宇宙射线而构建的；但是当人类将探索的触角伸向浩瀚无垠的宇宙的时候，发现了一些令人费解的现象。
20世纪30年代到70年代间，不少科学家在观测不同星系时发现引力质量比星系的光度质量大的多。自此，科学家指出宇宙间存在大量看不见的物质——如果只有可见物质参与引力相互作用，那么从星系中心到旋臂，随着半径的增大，旋转的速度会越来越低。根据天体物理的理论，这样会导致星系的不稳定。我们通过中学物理学过的引力圆周运动公式，也可以简单地得到这一结论。
但实际观测表明，稳定星系旋臂的转动速度随着半径增大，呈现出一个恒定速度，这样才会使星系保持稳定。而这个现象也说明，星系的大部分质量并不是集中在星系中心，而是有许多看不见的“暗物质”分布在整个星系，可见物质只是星系质量的一小部分。

我们知道，物理学发展至今，虽然理论物理已经可以完全独立发展，但理论正确与否，最终要经过可靠实验的检验，理论和实验相辅相成。暗物质的提出，虽然只是来源于科学家们的头脑风暴和数学计算，但是对于人类认识宇宙有着重要意义。至于理论最终会得到证实还是被推翻，还是要靠具体的实验探测来说话。

7. 什么是“暗物质”和“暗能量”？

到目前为止，物理学家和天文学家根据观测事实和理论推测，构建出各种各样的宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型，宇宙在加速膨胀也是公认的事实。而暗物质是基于现有引力理论的一种假想物质，暗能量是基于现有宇宙模型的一种假想能量。

暗物质和暗能量的存在能够解释一系列令人困扰的天文观测现象，也能在现有理论模型下能够很好地解释宇宙的演化和存在，可是还没有实验能够直接探测到暗物质和暗能量并为它们的存在进行决定性地描述。但是，很多新的观测现象都指向同一个事实：暗物质和暗能量是真实存在的。

一直以来，物理学对于物质本质的描述，朝着两个极限不断前进。一个是微观极限，现在已经深入到原子核内部；另外一个是宏观极限，现在已经扩展到整个宇宙。从微观上讲，标准模型能够解释到目前为止发现的大部分粒子，标准模型也是基于地球上的物质、对撞机产生的粒子以及宇宙射线而构建的；但是当人类将探索的触角伸向浩瀚无垠的宇宙的时候，发现了一些令人费解的现象。
20世纪30年代到70年代间，不少科学家在观测不同星系时发现引力质量比星系的光度质量大的多。自此，科学家指出宇宙间存在大量看不见的物质——如果只有可见物质参与引力相互作用，那么从星系中心到旋臂，随着半径的增大，旋转的速度会越来越低。根据天体物理的理论，这样会导致星系的不稳定。我们通过中学物理学过的引力圆周运动公式，也可以简单地得到这一结论。
但实际观测表明，稳定星系旋臂的转动速度随着半径增大，呈现出一个恒定速度，这样才会使星系保持稳定。而这个现象也说明，星系的大部分质量并不是集中在星系中心，而是有许多看不见的“暗物质”分布在整个星系，可见物质只是星系质量的一小部分。

我们知道，物理学发展至今，虽然理论物理已经可以完全独立发展，但理论正确与否，最终要经过可靠实验的检验，理论和实验相辅相成。暗物质的提出，虽然只是来源于科学家们的头脑风暴和数学计算，但是对于人类认识宇宙有着重要意义。至于理论最终会得到证实还是被推翻，还是要靠具体的实验探测来说话。

8. 什么是“暗物质”和“暗能量”？

到目前为止，物理学家和天文学家根据观测事实和理论推测，构建出各种各样的宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型，宇宙在加速膨胀也是公认的事实。而暗物质是基于现有引力理论的一种假想物质，暗能量是基于现有宇宙模型的一种假想能量。

暗物质和暗能量的存在能够解释一系列令人困扰的天文观测现象，也能在现有理论模型下能够很好地解释宇宙的演化和存在，可是还没有实验能够直接探测到暗物质和暗能量并为它们的存在进行决定性地描述。但是，很多新的观测现象都指向同一个事实：暗物质和暗能量是真实存在的。

一直以来，物理学对于物质本质的描述，朝着两个极限不断前进。一个是微观极限，现在已经深入到原子核内部；另外一个是宏观极限，现在已经扩展到整个宇宙。从微观上讲，标准模型能够解释到目前为止发现的大部分粒子，标准模型也是基于地球上的物质、对撞机产生的粒子以及宇宙射线而构建的；但是当人类将探索的触角伸向浩瀚无垠的宇宙的时候，发现了一些令人费解的现象。
20世纪30年代到70年代间，不少科学家在观测不同星系时发现引力质量比星系的光度质量大的多。自此，科学家指出宇宙间存在大量看不见的物质——如果只有可见物质参与引力相互作用，那么从星系中心到旋臂，随着半径的增大，旋转的速度会越来越低。根据天体物理的理论，这样会导致星系的不稳定。我们通过中学物理学过的引力圆周运动公式，也可以简单地得到这一结论。
但实际观测表明，稳定星系旋臂的转动速度随着半径增大，呈现出一个恒定速度，这样才会使星系保持稳定。而这个现象也说明，星系的大部分质量并不是集中在星系中心，而是有许多看不见的“暗物质”分布在整个星系，可见物质只是星系质量的一小部分。

我们知道，物理学发展至今，虽然理论物理已经可以完全独立发展，但理论正确与否，最终要经过可靠实验的检验，理论和实验相辅相成。暗物质的提出，虽然只是来源于科学家们的头脑风暴和数学计算，但是对于人类认识宇宙有着重要意义。至于理论最终会得到证实还是被推翻，还是要靠具体的实验探测来说话。