暗物质&暗能量：未知的~95%

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暗物质&暗能量：未知的~95%

2016-06-22
中科院物理所

                               
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在过去的40年里，天文学家意识到所有我们能看到的东西（包括恒星、行星和星系等等）只占有了整个宇宙的不到5%！那么其它的那~95%是什么呢？最简短的答案是：不知道。这未知的~95%被物理学家称之为暗物质和暗能量。

简单来说，暗物质就是看不见的物质，但是科学家可以通过暗物质对恒星和星系施加的引力作用推断它们的存在。

另一方面，暗能量则是使宇宙加速膨胀的幕后黑手。

我们并不确定暗物质和暗能量之间是否存在着关联，事实上它们两者很有可能是完全不同的现象。之所以都称之为“暗”只是因为我们看不见它们。

Dark Matter 暗物质

>>>>它是如何被发现的？

至1930年代起，天文学家就发现星系的旋转并不合理。所有的旋臂星系外围的恒星比预期的速度要旋转的快很多（星系的自转曲线）。这就意味着如果星系主要的质量来自发光物质，那这些星系外围的恒星应该早已逃离到外太空去。但是，如果我们假设有额外的质量围绕着星系，那么星系的自转曲线就可以被解释，这些额外的质量便是“暗物质”。

至此之后，许多天文观测都表明了暗物质存在的迹象，比如对星系团以及引力透镜的观测。尽管还有一些科学家正在尝试构建其它的理论，比如对引力的修正。但目前大多科学家都倾向于相信暗物质，有了暗物质的存在，很多问题也就都会迎刃而解了。

>>>>我们知道些什么？

我们知道暗物质不发光（也不吸收和反射），所以它不可能是游荡行星或者普通物质构成的气体云。我们知道它是“冷”的，意思是说相对于光速它运动的非常慢。我们知道暗物质可以传递引力。我们也知道它跟其它任何东西之间的作用都非常弱，甚至是自身——否则暗物质就会在自身的引力下坍缩而形成诸如星系的构造，而不是我们观测到的球状“晕”。

还有，暗物质占据了宇宙总量的26.8%。

>>>>暗物质会是什么？

极大的可能是某种我们从未探测到的新粒子（或者一整个族的粒子）。暗物质很可能围绕着我们，并在这一刻穿过你的身体。这就意味着这个宇宙大难题的答案很可能取决于微观粒子。

在过去的30年里，物理学家已经有了很多不同的暗物质候选粒子。其中最有希望的候选者是一种叫做大质量弱相互作用粒子（WIMP）。WIMP比普通粒子的质量大，而且粒子只通过弱核力和引力相互作用。由于它们不参与电磁力作用，因此无法被直接探测到；由于它们不参与强核力作用，因此它们基本上与普通物质不发生相互作用；由于它们较大的质量，因此它们运动的速度相对缓慢，因而能够成团聚集。根据以上特点，WIMP被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的其中一个目标就是寻找WIMPs（LHC在2013年发现了希格斯玻色子），通过将质子加速近光速并对撞就有可能产生难以捉摸的暗物质粒子。

>>>>我们可以探测到暗物质吗？

除了CERN，在世界各地有30多个大型实验室都致力于寻找暗物质的踪迹。有一些利用望远镜在搜寻暗物质之间发生湮灭产生的粒子痕迹。有一些则利用氙探测器（在一个圆柱形罐子注入夜氙）观测暗物质粒子撞上原子核发出的闪光信号。

尽管到目前为止，科学家还都没有找到有任何有说服力的证据，但是通过这些实验可以排除一些暗物质的候选者。

不过，还有一个可能是科学家永远也无法直接探测到暗物质，特别是如果暗物质粒子不发生弱相互作用。

>>>>暗力和暗光子

另外，一些物理学家提出暗物质粒子可以通过一种新的基本力来相互作用，没错，就叫做暗力，通过暗光子来传递。这类似于普通质子依靠电磁力进行相互作用的情形：当两个质子相互靠近时，每个质子都将释放一个光子——电磁力的载体——并吸收对方的光子。

或许暗物质有很多类型，有一些通过暗力相互作用，而有一些不是。

Dark Energy 暗能量

>>>>它是如何被发现的？

在19世纪初，物理学家（包括爱因斯坦）认为宇宙处于静态和不变的。但是，在1929年，美国天文学家埃德温•哈勃对爆炸恒星运动的观测发现了宇宙正在膨胀。事实上宇宙必须有个开端，那一刻称之为大爆炸。

在大爆炸之后，物理学家曾经认为由于引力的作用，宇宙的膨胀应该会逐渐慢下来，最终所有的东西又重新聚在一起。问题在于宇宙是否是在某一个时刻停止膨胀并开始往回收，最终形成大坍缩。

直到1998年，事情变得复杂起来。

利用哈勃用过的同样方法（以及以哈勃命名的太空望远镜）天文学家发现宇宙的膨胀不仅没有慢下来，而且是在加速。星系以越来越快的速度逐渐的相互远离。

这是一个奇怪并且出乎意料的结果。这就好比是你开车在高速奔驰，然后你松开油门，可是车不仅没有慢下来反而加速了！

由于观测数据非常具有说服力，因此物理学家意识到宇宙的膨胀或许是由于某种能量驱使的，也就是所谓的“暗能量”。

>>>>我们知道些什么?

我们知道暗能量与宇宙的命运息息相关。我们知道它有点像反引力，使所有东西都相互远离。我们也知道暗能量并不是一开始就有的，而是在宇宙大爆炸后的数十亿年开始支配着宇宙。

这就让物理学家思考暗能量是否跟空间之间有着紧密的联系。意思是说它在空间中的密度总是一样的，但是由于宇宙的膨胀（更多的空间被制造出来），暗能量的量也被增加了。这就可以解释为什么宇宙早期的时候暗能量显得微不足道。

>>>>暗能量会是什么？

想要解开暗能量的神秘面纱，答案很有可能隐藏在量子世界。

在量子力学中，“空的空间”并不是完全空的，而是充满了粒子汤，粒子不断的出现、湮灭。虽然听起来很奇怪，但是物理学家已经在实验室里测量到由这些“虚粒子”造成的力。

问题是，当物理学家尝试计算这些虚粒子在每立方米中的能量贡献时，得到的结果是一个巨大的数字：10^120，这要远远超出暗能量的密度（可以从宇宙的膨胀率中计算）。这样的一个数字——1后面再加上120个零，被称为“物理史上最差劲的理论预言”。

>>>>精质暗能量

一些物理学家认为暗能量类似自然界中的第五种力，弥漫在整个空间。他们把它称之为“精质”，这个名字来自于古希腊哲学家预言的第五种元素——被认为充满地球以外的宇宙空间。

精质是一个简单的标量场，回想早期宇宙学的暴涨模型，一个简单的方法就是用一个慢滚的标量场来实现宇宙的暴涨。特别是一个仅依赖于时间演化的标量场与均匀各向同性相符的，所以物理学家自然就联想到暗能量就是一个标量场。但是目前在自然界中还没有发现基本标量场，尽管粒子物理标准模型中有希格斯标量粒子；在高纬的统一理论如超弦理论中存在大量的标量场。

>>>>大撕裂和幻影暗能量

在一些理论中，精质会一直越来越强，这种情形下就会演变成物理学家称之为的幻影暗能量。所谓的幻影暗能量是一类鬼场。

如果暗能量是幻影物质，它会摧毁整个宇宙。

届时宇宙的膨胀会持续的加速，并最终达到光速。那么情况会是这样的：首先星系和恒星会四分五裂，太阳和地球之间的空间会膨胀的比光速还快，直到最后物质无法被束缚在一起，原子也被撕裂。最终的结局就是宇宙在一场大撕裂中变得死寂。

>>>>新的引力理论？

也或许，暗能量并不是什么新的力，而是一个信号。我们知道爱因斯坦的广义相对论是非常成功的引力理论，但是它仅在大到太阳系尺度，小到亚毫米尺度得到了精确的检验。在小尺度上，量子引力效应必定对广义相对论有一定的修正；在宇宙学尺度上，并没有原理保证广义相对论一定正确。因此，通过在大尺度上修改广义相对论来解释观测到的宇宙加速膨胀效应是一个合理的选择。相关的理论有：鬼凝聚、f(R)引力理论和膜世界图像等等。

ΛCDM  Model  ΛCDM模型

Λ是宇宙学常数，是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项。而CDM则是冷暗物质，是一些运动缓慢未知的粒子。

这是当前天文物理学家能够对宇宙所有现象给出的最合理的模型。比如它解释了宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀。

在这个图景中，暗物质占据了宇宙总质量-能量的26.8%，暗能量则为68.3%，而普通物质只占了不超过4.9%（普朗克卫星的结果）。

ΛCDM模型虽然能够很好的解释了很多的现象，但同时也遇到了许多的挑战。未来，只有当我们一步步的揭开暗物质和暗能量的神秘面纱时，才能知道被大自然隐藏的那~95%。