什么是暗物质和暗能量？

1. 什么是暗物质和暗能量？

2. 什么是暗物质和暗能量

暗物质和暗能量起初分别是在两个理论中假设提出，目前暗物质的假设已经被证实确实存在，而关于暗能量的假设还未被证实。
 
暗物质的由来：
上世纪初，天文学家哈勃刚刚发现宇宙中存在不止银河系一个星系，而是很多个星系。随后有大量天文学家对星系的形成和演化开始了研究。天文学家们起初认为星系中心是由一个超大质量黑洞作为引力源，同时许多恒星之间的引力相互吸引，使其能够聚集成群形成星系。
 
但在后来的计算中天文学家们惊讶的发现，星系之间的天体并未产生足够的引力吸引彼此，它们本该四散飞离而不是聚集成群。当时天文学家们无法解释这一现象，直到有一个标新立异的科学家提出了一个假设，他认为宇宙之中还存在一种我们尚未发现的物质，这种物质可以像牢笼一样将恒星束缚在一定的空间内，在这个“狭小”的空间内，星系之间的天体才能依靠彼此的引力聚集成群。他把这种假设中的物质命名为“暗物质”。
 
随着高精密天文望远镜的发现，天文学家们最终通过观察暗物质对光的扭曲效应和对星系运行的更多影响方式正式了暗物质的存在。科学家们已经知道了暗物质是如何运作的，暗物质像胶水一样将宇宙的各个结构牢牢粘合在一起，它将星系、星系团与超新星团结合在一起，如果没有暗物质，整个宇宙的结构都会四分五裂。
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暗能量的由来：
上个世纪末期，天文学家们起初根据大爆炸理论认为，认为宇宙虽然在膨胀，但是由于物质之间存在引力，这种膨胀会不断减缓，但他们无法证实这一切，因为他们无法测出宇宙膨胀的速度。直到他们发现了1a型超新星。
 
1a型超新星，即白矮星由于吸收临近恒星的物质后质量增加，当自身质量达到太阳1.44倍后瞬间爆炸形成的超新星。因此所有1a型超新星的亮度都是一个固定值，这使得它们成为了测量宇宙距离的完美标尺。
 
根据惯性原理，宇宙膨胀的速度本应当保持不变的，因此在引力发挥了作用的情况下，那么天体之间相互远离的速度就会逐渐减慢。1a型超新星发出的光芒通常持续数月，科学家们在持续数个月观察超新星的位置变化后惊人的发现，宇宙膨胀的速度不仅没有减缓，反而还在加速。
 
科学家们同样无法解释这种现象，按照惯性原理，物体的运动速度和方向都不会变化。在这一基础上施加引力的话，天体之间远离的速度就应当不断减慢。而观测结果是它们的速度不仅没有减慢，更奇怪的是反而在加速。宇宙中应该没有外力，究竟什么效应让它们加速远离。
 
为此，一个天文学家同样提出了假设，他认为宇宙中存在一种我们至今还仍未发现的力量，与引力不同，这种力量会令整个空间由内而外产生反方向的斥力，让所有物体加速远离，导致宇宙加速膨胀，他们把这种假设存在的力量命名为“暗能量”。只有这种假设可以解释为什么宇宙会加速膨胀，但科学家们至今仍然无法找到暗能量存在的确凿证据，也不知道暗能量究竟为何物。所以这种假设的正确性仍然有待考量。随着科学技术的不断发展，我们会越来越接近我们想要的答案。

3. 暗物质和暗能量是什么 ???

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。

4. 暗物质，暗能量怎么解释？

在宇宙学中，暗物质（dark matter）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。人们目前只能通过引力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。
现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分，即重子(加上电子)，大致占宇宙的4％，而暗物质则占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常地关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质(和暗能量)的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。

5. 暗物质暗能量

所谓暗物质，即反物质。是其质子带负电，电子带正电，与我们已知的物质恰好相反，因为科学家在实验室通过离子加速器对质子加速，使它碰撞而产生了这种物质，所以推断宇宙中是存在这种物质的
而暗能量就是暗物质所含的能量。
假设同样质量的暗物质与我们碰撞，会产生两种物质电子和质子级别的能量完全释放，从而产生巨大爆炸却不留下残留，通古斯大爆炸就被怀疑是这个原因。

6. 什么是暗物质和暗能量？

可见的宇宙--包括地球、太阳、其他恒星和星系--是由质子、中子和电子组成的。 可是这些普通的物质， 或者说这些重子物质， 却只占宇宙质量的不到5% 。

宇宙的其他部分似乎是由一种神秘的、看不见的暗物质(25%)和一种能够驱赶引力的被称为暗能量(70%)组成。
科学家还没有直接观察到暗物质。因为它不与重子物质相互作用， 对光和其他形式的电磁辐射是完全看不见的， 使得暗物质不可能通过当前的仪器被探测到。科学家们相信它存在是因为它对星系和星系团产生了引力效应。

根据标准物理学， 处于旋转螺旋星系边缘的恒星的运动速度应该远远低于那些靠近银河系中心的恒星。 但是观测结果表明， 不管恒星在银河盘中的位置如何， 它们的运行速度大致相同。 如果假设边界恒星正在感受到一个看不见的质量--暗物质的引力效应， 那么这个令人费解的结果是有道理的。

暗能量更加神秘， 它在20世纪90年代的发现对科学家来说是一个彻底的打击。 以前， 物理学家们认为引力的吸引力会随着时间的推移而减缓宇宙的膨胀。 但是当两个独立的团队试图测量减速速度时， 他们发现膨胀实际上在加速。 一位科学家把这个发现比作把一串钥匙扔向空中， 以为它们会掉下来——却看到它们直接飞向天花板。
科学家们现在认为， 宇宙的加速膨胀似乎是由量子波动产生的一种排斥力驱动的。 更重要的是， 随着宇宙的膨胀， 力量似乎越来越强大。 由于没有更好的名字， 科学家把这种神秘力量称为暗能量。
与暗物质不同， 科学家对暗能量没有合理的解释。 根据一种观点， 暗能量是第五种， 也是以前未知的一种基本力， 它像流体一样充满整个宇宙。
许多科学家还指出， 暗能量的已知性质与宇宙学常数是一致的， 这是一个数学的补丁， 阿尔伯特 · 爱因斯坦在他的广义相对论理论中加入了一个数学方程， 使他的方程符合静态宇宙的概念。 根据爱因斯坦的理论， 这个常数是一种排斥力， 它可以抵消引力， 防止宇宙坍塌。 爱因斯坦后来放弃了这个想法， 因为天文观测显示宇宙正在膨胀， 称这个宇宙学常数是他的"最大的错误"
现在我们看到宇宙的膨胀正在加速， 加入暗能量作为宇宙学常数可以很好地解释空间-时间是如何被拉开的。 但是这种解释仍然让科学家们对为什么这种奇怪的力量会存在一无所知。

7. 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

8. 什么是暗物质？暗能量？

新世纪之初，美国国家研究委员会由19位权威物理学家和天文学家联合执笔，发布题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告。科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重。“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”在所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位。 

几十年前，暗物质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。尽管暗物质的本质现在还不清楚，但这并不影响到它的存在。 

在天文学上，人们根据质量和光度的比值测量出的质量，总比根据星系周围的物质转动曲线、双星系的万有引力和动力学平衡条件等力学的方法得出的质量要小得多。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。也就是说，宇宙大尺度范围内存在暗物质，这是一个普遍的规律。计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。 

李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距。星系周边的恒星、灰尘或者气体云，都以某一线速度作圆周运动，其离心力是 

F离 = mv2/r 

r是物体离中心的距离。 

星云的万有引力 

F引 = GmM/r2 

式中G引力常数，M为星云的质量。星云的万有引力应跟离心力相平衡，等式两边消去m，于是有 

GM/r2 = v2/r 

等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度。简化并变形得 

v2= GM/r 

由于引力常数G和星云质量M都是常数，由以上公式可以看出，恒星线速度v的平方和星体离星云中心的距离r成反比。于是，星体离星云中心越远，其线速度就越小。如果测出了r和星体的速度v，就可以算出在这个星云的物质M。 

以星系NGC3192为例，它的发光区域长约15千秒差距，但是到距离中心30千秒差距处恒星的线速度反而比15千秒差距处的还要大，这表示星系NGC3192中除了有看得见的物质外还有看不见的物质。 

看得见的物质是明物质，指眼睛能看见，可用电磁波、红外光进行测量。看不见的暗物质不发光，也不反射光，但它可产生万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度并不随距离的增大而减少。 

这种现象不是个别的，所有测量过的967个星系都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里都有暗物质。 

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（Fritz Zwicky）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%的暗物质已被广为接受了。有人认为，普通发光物质占了宇宙总质量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近23%，另外的73%是暗能量。 

本世纪30年代，瑞士天方学家兹威基用两种和法测量了星系团的质量。一种是光度方法，即通过测量星系团中星系的光度，根据星光度和质量关系，推出星系的质量，然后将各个星系的质量加在一起，得出整个星系的团的质量。另一种方法是动力学方法，即测量各个星系之间的相对运动速度，由此推知星系团的总质量。结果发现，用这两种方法得出的质量差别极大。拿后发星系团来说，动力学质量要比光度质量大400倍。这个结果只能解释为：后发星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的，而是由其中大量的暗物质提供的。用光度方法只能测出发光区的质量。因此含有大量暗物质的不发光区的光度质量，自然会比动力学质量小得多。兹威威基把光度方法测不到的质量称为“下落不明的质量”。 

但是直到70年代，一些相当有影响的天文学家仍然相信星系是宇宙中的主要成分，认为下落不明的质量根本不存在，质量并没有短缺。1987年，通过星系的转动曲线证明了暗物质的存在，在这一事实面前，这些天文学家开始慎重考虑暗物质问题。 

星系的转动曲线是指围绕旋涡星系转动物体的速度与其半径的关系。转动曲线描述了物体距星系中心不同距离时，在星系盘里的轨道速度。速度是通过多普勒效应得到的——我们接收到的光的波长变化与物体接近我们还是远离我们的速度成正比。然而观测结果却发现，在星系发光区域之外，物体的转动速度与距离无关。也就是说，不同距离上的物体竟有相同的转动速度。对于这个反常结果唯一的解释是，星系周围的空间并不是真空，而是存在着质量可观的晕，这个晕不发光，是暗物质的。 

此后，天文观测又发现许多能证明暗物质存在的证据。譬如，我们附近的恒星运动反映出银盘里的物质的引力影响，比我们发现的恒星和气体物质的引力影响大50%。射电天文学、红外天文学、紫外天文学和X射线天文学的发展，允许我们探测不同温度的气体，计数光度只及太阳十万分之一甚至更暗的单颗恒星，尽管如此，银河系的密度仍和天文学家经理论计算所预期的相差甚远。 

一些科学家确信，宇宙中实际存在的物质总共是发光部分的1000倍。 

暗物质究竟是什么呢？粒子物理学家寄希望于暗物质的研究能找到他们所预言的许多“暗”粒子。这些暗粒子有各种各样的名称，通用的集合名词是“微子”和“宇宙子”。其中许多都是根据已知粒子而创造的名词。如光微子是由光子而来的，引力微子是由引力而来的。它们大都不参与地磁作用，或只有很弱的相互作用。弱相互作用对这些粒子形成暗物质是有利的，但也使研究这些粒子变得十分困难，它们能直接穿透地球和太阳，更不必说实验室里的探测器了。由于天文观测只能直接提供大而亮的天体的数据，而对又暗又小的粒子无能为力，天文学家只好借助观测一种不度小、呈球形分布的星系——矮球队状星系，来推断暗粒子的性质。 

在银河系周围，有六七个矮球状星系，它们距离银河中心大体在20~60万光年之间。它们处在银河系的引力场中，而不被银河系的潮汐力所瓦解，可见它们的质量不可能太小。另外，矮球状星系光度不大，可知其中发光物质不多，暗物质一定不少。还可进一步推断，构成暗物质的粒子的静止质量必定较大，否则就不可能留在这种矮小的星系里。由此猜测这种暗物质十有八九是引力微子或光微子。 

其实，由物质无限可分的性质也能预见到暗物质的存在。因为分到比光子还要小的部分就一定是暗物质。因此，暗物质的存在也就支持了物质的无限可分性。 

暗物质的存在会严重威胁到广义相对论，爱因斯坦在创立广义相对论时，显然是没有考虑到这些暗物质的，作为一个精密的理论，是没有理由不预见到这么多暗物质的。 

在第二章里我们已经讨论过，用暗物质对物体的碰撞来说明万有引力，正是需要暗物质的存在。一部分暗物质与物体的碰撞，破坏了暗物质的各向同性而产生了万有引力。因此，在某种意义上，万有引力的碰撞起源，已经预见到了暗物质的存在。 

星体的演化也需要暗物质。暗物质生成原子氢，原子氢进行热核反应放出大量的热能就成为星体的演化的能源。这种能源实质上是暗物质所具有的，可以称为是暗能量。由此可见，暗能量其实是暗物质所固有的，它和暗物质是不能分开的。哪种认为，普通发光物质占了宇宙总质量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近23%，另外的73%是暗能量的观点是有问题的。因为73%的暗能量显然是受相对论的影响，认为质量可以变为能量，从而把能量和质量分隔开来，这当然是不对的。暗能量是暗物质所固有的，它占的比例应算到暗物质的名分上。严格地讲，普通发光物质占了宇宙总物质的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近96%。 

人们凭自己的感觉总认为有一种什么东西也没有的“真空”存在，这种认识是片面性的。因为人们能看到的物质层次是非常有限的，而看不到的物质层次是无限的，“真空”中存在着大量的暗物质，只是人们无法感觉到罢了。因此，真空不过是一种表观现象，真空不空。