暗物質和暗能量是同一種東西嗎？

衛(wèi)斌皇

暗物質密度（左）過渡到氣體密度（右）

在宇宙中，我們所看到的并不就代表“所有”。所以，我們的觀測必須與理論緊密結合在一起：觀測結果告訴我們那里有什么，而理論可以讓我們將預期的與實際觀測到的進行比較。當兩者一致時，說明我們已經(jīng)很好地理解了發(fā)生了什么;如果兩者不一致，那就意味著要么是我們的理論不太適合這種情況，要么是存在著我們的觀察沒有直接揭示的其他因素。而宇宙中許多這種“不一致”都指向兩種成分：暗物質和暗能量。

它們是一枚硬幣的兩面嗎？它們相互獨立，還是互為一體？如果是獨立的，它們會相互作用嗎？如果是一體的，那我們如何區(qū)別它們？

一般來說，我們并不認為它們互為一體——但這不代表事實就是這樣。下面我們就來看看這個問題。

用引力理論構建宇宙

對我們來說，宇宙中還有許多謎團，但在最大的尺度上，每個謎團的本質都與引力有關。問題是，我們認為我們知道引力是什么，因為愛因斯坦的廣義相對論通過了一個又一個的檢驗——無論我們拋出什么現(xiàn)象，這一反直覺的理論所預測的，都與我們所觀測到的完美吻合。

從太陽系中的恒星光到巨大的星系、類星體和星系團的引力透鏡背景光，我們看到質量天體對光線的彎曲程度與愛因斯坦理論預測的完全一致;我們也看到引力波具有愛因斯坦理論預測的精確頻率和振幅。

愛因斯坦成功的例子還有很多，從引力紅移到“蘭斯-瑟林效應”，從雙星黑洞的旋進到引力時間膨脹等。我們對廣義相對論所做的每一次檢驗，從地球上的實驗到太陽系內的觀測，再到數(shù)十億光年之外的信號，都表明廣義相對論在任何已知情況下都是正確的。

當我們把這個引力理論應用到整個宇宙時，得到了一組揭示一個非常重要關系的方程。這表明，如果我們知道宇宙由什么組成的，廣義相對論就可以預測宇宙如何運行和發(fā)展。我們可以用任何能想象得到的東西來建構我們的宇宙，這些東西包括普通物質、輻射、中微子等常規(guī)成分（這些成分由標準模型中的粒子組成），還有黑洞、引力波，甚至暗物質和暗能量等假想實體。

宇宙不同能量的行為

這些不同的成分以不同的方式影響著宇宙，其中的原因很容易理解。你所要做的就是想象很久以前的宇宙，那時它更小，更熱，密度更大，也更均勻，然后想象它隨著時間的推移而演化。隨著時間的推移，宇宙會膨脹，但是不同類型的能量會表現(xiàn)出不同的行為。

例如，隨著宇宙的膨脹，普通物質的分布越來越稀薄。這是因為物質粒子的數(shù)量保持不變，但它所占的體積增加，因此它的密度下降。然而，它也會受到引力吸引，這意味著空間密度略高于平均水平的區(qū)域會優(yōu)先吸引更多周圍的物質，而密度略低于平均水平的區(qū)域則傾向于把它們的物質讓給周圍的區(qū)域。隨著時間的推移，宇宙不僅會變得越來越稀薄，而且開始在小尺度上形成稠密的結構，然后再形成更大的結構。

宇宙的四種命運，最下面的是有暗能量的宇宙，它最符合數(shù)據(jù)。

另一方面，輻射也會變得越來越稀，并且會隨著宇宙的膨脹而失去能量。這是因為光子的數(shù)量，就像質子、中子或電子的數(shù)量一樣，也是固定的，所以隨著體積的增加，數(shù)量密度會下降。但是每一個光子的能量是由其波長定義的，它會隨著宇宙的膨脹而減少：當兩點之間的距離變長時，在宇宙中穿行的光子的波長會變長，從而失去能量。

多出來的質量是誰的？

當我們觀察宇宙中的星系、星系群和星系團，甚至是數(shù)十億年前形成的巨大的宇宙網(wǎng)時，我們可以檢驗它們的內部屬性，例如恒星、氣體和其中的其他成分相對于中心在不同距離上變化的速度;檢驗它們的集群屬性，例如我們是否可能在距任何給定星系一定距離處找到另一個星系;檢驗它們的質量有多大，通過它們引起的引力效應（比如透鏡效應）進行推斷;檢驗構成它們的正常物質，包括氣體、塵埃、恒星、等離子體等，在哪里以及有多少。

當我們這樣做的時候，我們發(fā)現(xiàn)，所有正常的物質、輻射，以及宇宙中應該存在的所有其他標準模型粒子，根本不足以解釋我們所觀察到的現(xiàn)象。從單個星系的旋轉速度，到單個星系在星系團中的運動，到星系團的大規(guī)模類聚，再到宇宙的整體質量密度，每一種現(xiàn)象中都有太多的質量無法用正常物質來解釋。

所有這些現(xiàn)象都是真實的，因為我們已經(jīng)證實，對于正常物質組成的物體而言，其質量與引力之間存在某種一致性。幸運的是，只要我們在宇宙中加入一種物質，就能讓這一切“回歸正軌”，這就是——暗物質。

它要滿足以下特征：一是要冷，當宇宙還很年輕的時候，相對于光的速度它運動得很慢;二是無碰撞，也就是說它不與普通物質、輻射或其他暗物質粒子發(fā)生碰撞和動量交換;三是黑暗，它對輻射和正常物質都是透明的;四是體積巨大并有引力。

如果在宇宙中添加它，所有這些現(xiàn)象以及許多其他現(xiàn)象就會變得與愛因斯坦引力的預測一致。有許多人通過改變引力學來解釋其中的一些現(xiàn)象，特別是對牛頓動力學的改進，解釋了宇宙中許多在小尺度（幾百萬光年及更短的時間）上發(fā)生的現(xiàn)象，效果甚至比用暗物質解釋更好。但是，所有的修改都必須包含暗物質或看起來與暗物質幾乎沒有區(qū)別的東西。因此，暗物質成了我們在構建宇宙時極具吸引力的候選者。

來自宇宙微波背景的證據(jù)

暗物質真的存在嗎？也許我們可以從宇宙微波背景中找到證據(jù)。

如果我們從大爆炸的最早時刻開始模擬宇宙，并添加我們期望在那里存在的成分，會發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹和冷卻到足以形成中性原子的時候，在大爆炸的余光中，將出現(xiàn)一種與溫度成比例關系的波動模式——遍布整個宇宙空間的輻射（目前已紅移至微波波長）。

這種輻射在20世紀60年代中期首次被探測到，它幾乎是均勻的，因此測量它的波動是一項非常艱巨的任務，因為天空中最熱的區(qū)域只比最冷的區(qū)域熱0.01%。所以直到20世紀90年代，我們才真正開始測量這些原始的宇宙“缺陷”。今天，我們在9個不同波段測量了整個微波天空的溫度，精確到微開爾文，誤差達到0.05度?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)可以用“精準”來形容。

對我們建構的宇宙來說，這種波動模式是非常敏感的。各種波峰和波谷的大小和位置告訴我們宇宙中有什么，也排除了與數(shù)據(jù)不符的宇宙模型。例如，如果我們用普通物質和輻射模擬宇宙，只能得到我們所看到的峰和谷的一半，還有峰的角度范圍太小，溫度波動的幅度會大很多。對于這些觀察結果，暗物質是必需的。

但是，除了暗物質，還需要其他一些東西。如果你把所有的普通物質、暗物質、輻射、中微子等都帶入宇宙，你會發(fā)現(xiàn)，這只達到總能量的三分之一。因此，一定存在另外一種形式的能量，與暗物質或普通物質不同，而且它不是聚集在一起的。無論這種能量是什么，它必須存在于暗物質之外，這樣才能符合我們觀測到的宇宙微波背景。

暗物質和暗能量的微妙聯(lián)系

暗物質和暗能量都是“黑暗的”，因為它們都無法直接觀測到（至少目前的技術無法做到）。但是我們可以看到它們的間接影響：暗物質影響宇宙形成的結構，暗能量影響宇宙膨脹以及其中的輻射演化。但它們截然不同，最大的區(qū)別是：暗物質成團結塊，而暗能量似乎平均地分布在整個空間;隨著宇宙的膨脹，暗物質的密度變小，但暗能量的密度保持不變;暗物質減緩宇宙的膨脹，而暗能量則是使遙遠的星系在遠離我們時加速。

也許有人認為我們應該建立一個暗物質和暗能量的“統(tǒng)一模型”。事實上，許多物理學家已經(jīng)這樣做了。但似乎完全沒有這個必要，因為這樣一來，我們又必須回答一個問題：為什么引入一個帶有兩個參數(shù)的成分——一個參數(shù)用于解釋“暗物質”，另一個參數(shù)用于解釋“暗能量”——要比兩個獨立的成分更有吸引力？

當我們看到暗物質和暗能量如何隨著時間而演變的時候，這個問題顯得更難回答。

從宇宙幾萬歲到大約70億歲，暗物質構成了宇宙能量密度的80%;而在過去的60億年里，暗能量已成為宇宙膨脹的主導力量，目前約占宇宙總能量的70%。隨著時間的流逝，暗能量將變得越來越重要，而包括暗物質在內的所有其他形式的能量將變得微不足道。

如果暗物質和暗能量在某種程度上相互關聯(lián)，那么按照我們目前的理解，這種關系很微妙且不明顯。對于暗物質，它缺少“會結塊但不會碰撞或施加壓力”的屬性;對于暗能量，缺少的屬性是“不會結塊或碰撞，但會施加壓力”。

在我們有證據(jù)證明兩者是相關的之前，我們采取的保守看法是：暗物質形成了大的宇宙結構，并將其結合在一起;但暗能量將這些單獨的結構相互推開。

這么看來，暗能量顯然很成功，它使得在約1000億年的時間里，我們可見的宇宙只剩下本地星系群;除此之外，只有一片虛無，在數(shù)萬億光年的范圍內我們看不到任何其他星系。