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图20-2 宇宙组成中普通物质、暗物质与暗能量的比例。
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上一次物理中出现一个被冠以“暗”字的东西还是在19世纪中期。当时，法国的勒维耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）提出，有一个不可见的暗星球，并将其称为瓦肯星（Vulcan）。勒维耶的目标是解释水星的奇特轨道。勒维耶与英国的约翰·亚当斯（John C.Adams）此前曾经用海王星对天王星的影响推导出海王星的存在。然而对于水星的考虑，勒维耶完全错了。水星那奇异轨道的原因比存在另一个行星更令人激动。该解释只有在爱因斯坦建立相对论理论之后才被找到。事实上，广义相对论的第一个证据就是它可以正确预测水星的轨道。
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暗物质与暗能量可能是一些已知理论的结果。但是也可能这些宇宙失落的元素预示了重大的图景转变。只有时间能告诉我们什么样的选择将解决暗物质与暗能量的问题。
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即使如此，我还是认为暗物质很可能有更多的传统解释，与我们现在所知的物理定律相容。即使新物质按照我们所熟知的力的定律来相互作用，为什么所有物质都会呈现出与我们熟悉的普通物质一样的性质呢？简而言之，为什么所有物质都会与光有相互作用呢 ？如果说科学史曾经给过我们何种启示，那么相信“所见即所得”这种想法就是极其短视的。
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许多人却不这样认为。他们发现暗物质的存在非常神秘，并疑问：怎么可能绝大多数物质（是我们所能见到的物质的6倍）是我们无法用常规的望远镜观测到的？某些人甚至怀疑暗物质只是某种错误观念。我个人认为恰恰相反（虽然我承认不是全部的物理学家都能这样看待）。如果我们能看到的竟然是所有存在的物质，那么这可能更加令人吃惊。为什么我们就偏偏有最完美的感官来直接观测到一切的事物呢？并且物理学几个世纪的教训告诉我们：有多少东西曾被隐藏而未被人类所看见。从这个角度看，为什么我们所知道的物质竟然占据了所有物质能量的1/6之多？这是一个巧合吗？目前我和同事正努力想要理解这一点。
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我们知道，有些具有暗物质特性的东西必须存在。虽然我们没有严格“看见”它，却探测到了暗物质的引力效应。我们知道暗物质存在，因为不断拓展的观测证据表明它的引力效应存在于宇宙中。其存在性的第一个线索来自星系团中恒星的转动速度。1933年，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）观测到星系团中的星系转动的速度比星系中只有可见质量造成的转动要快。很快，奥尔特（Jan Oort）观测到银河系也有类似的现象。兹威基很相信他的工作，他猜想宇宙中存在人们无法直接看到的暗物质。但是这两个观测结果并不是确凿无疑的。一个错误的测量或者一些其他星系的动力学看似更可能对此作出合理的解释，这比一些创造出来仅仅为了提供更多引力效应的不可见物质更合理。
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在兹威基做此测量时，他还没有足够的分辨率来看到单个的星体。更多有关暗物质的坚实证据来自观测天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin），20世纪60年代末70年代初，鲁宾对星系中的恒星转动做了非常细致的定量测量。起初看似无聊的研究结果，第一次作为暗物质存在的坚实证据出现。而鲁宾的研究在当时与其他天文学活动相比，属于鲜少有人问津的领域。鲁宾与肯特·福特（Kent Ford）的观测为兹威基早年的结论提供了确凿的证据。
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你也许会好奇，人们如何通过望远镜来看到暗的东西。答案是，它可以看到这些物质的引力效应 。星系的性质，例如它里面的恒星的转动速率，是由星系所含的物质决定的。如果只有可见物质，那么人们将认为，位于星系外围的恒星对星系引力的敏感程度会降低。然而，与位于中心附近的亮物质相比，远上10倍的恒星，仍然以与靠近中心的恒星一样的速度转动。这意味着质量密度并没有随着距离的增加而降低，至少在从星系中心到发光物质10倍远的距离上并没有降低。天文学家因此认为，星系主要由不可见的暗物质组成。我们可以看见的明亮物质固然是一个相当可观的部分，但星系中绝大多数物质都是不可见的——至少从字面意义上说是这样。
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我们现在有许多其他补充证据来证明暗物质的存在。一些最直接的证据来自透镜效应（见图20-3）。透镜效应是光线掠过一个质量巨大的物体时发生的现象。即使该物体本身不发光，它也对光线施加引力。引力会造成物体后面（从我们的角度来看）一个发光物体所发出的光线的弯曲。光线在不同方向的弯曲取决于它掠过暗黑物质的路径，透镜会在天空呈现原始物体的多个镜像。通过推导使这些可见光弯曲所需的引力，这些镜像让我们可以“看见”暗黑物体或者至少暗示了它的存在和性质。
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图20-3 光线掠过一个重的物质时，会发生弯曲，从一个观测者的角度，出现了多个原始天体的像。
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也许目前关于暗物质最强有力的证据（而非修改引力理论）解释了来自子弹星系团（Bullet cluster）的现象，它涉及两个星系团的碰撞（见图20-4）。它们的碰撞证明，明星系团包含恒星、气体以及暗物质。星系团中的炽热气体强烈地相互作用，强到以至于气体始终聚集在碰撞的中心。而暗物质则不发生相互作用，至少作用不强。因此暗物质仅仅会彼此穿过。透镜测量显示，暗物质与炽热气体是分开的，模型给出的暗物质的相互作用非常弱，而普通物质的相互作用很强。
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图20-4 子弹星系团暗示，星系团中包含暗物质，它们的动力学不太可能被修正的引力定律解释。我们可以看到，当两个星系团碰撞时，两团强烈地相互作用的普通物质被困在中心，而相互作用弱得多的暗物质（通过引力透镜探测到的）则会明显地互相穿过，它们两者之间有一个分离。
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我们还有暗物质存在进一步的证据，它来自前面提到的宇宙微波背景辐射。与透镜效应不同，辐射的测量没有告诉我们任何暗物质的分布。相反，它们告诉了我们暗物质的总能量组成（见图20-2）。
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宇宙微波背景测量告诉了我们关于早期宇宙的大量信息，并给我们提供了有关它性质的很多细节。这些测量不是单为了暗物质而设的，它们也为暗能量的存在提供了证据。根据爱因斯坦的广义相对论方程，宇宙只能在拥有了正确的数额的能量时，才能是平坦的。物质（哪怕将暗物质也计算在内）仍然不够给出威尔金森微波各向异性探测器和气球探测器所观测到的平坦度。因此其他能量必须存在。暗能量是既解决了宇宙平坦性——三维空间没有可以观测到的曲率，又与目前所有其他观测相符的唯一方法。
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暗能量占据了宇宙主体能量的大约70%，比暗物质更令人费解。让物理学界相信暗能量存在的证据是宇宙目前正加速膨胀的发现，类似于宇宙早期的暴胀但速度慢很多。在20世纪90年代，两个独立的研究组超新星宇宙学计划（Supernova Cosmology Project）和高红移超新星搜索队（High-z Supernova Team）发现，宇宙膨胀速度不是降低而实际上是在增加，这个发现令整个物理学界震惊。
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在超新星测量之前，也有几个指向存在能量缺失的暗示，但这些证据都太弱了。20世纪90年代，精确测量显示远距离的超新星比预期的暗淡很多。因为特殊类型的超新星有相当均匀的和可预期的发光度，上述观测必须通过一种新的机制来解释。这种新机制就是宇宙的加速膨胀——即膨胀的速度越来越快。
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加速度不可能来自普通物质，因其引力吸引将减缓宇宙的膨胀速度。而唯一的解释只能是宇宙的行为像暴胀时期的行为，只是能量比其在暴胀时期所具有的能量低了很多。这种加速度应该是源于某种类似于爱因斯坦曾经提出的宇宙学常数或者说暗能量。
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与暗物质不同，暗能量对于其所处的环境施加负压。普通的正压将导致向内塌缩，而负压则导致向外加速膨胀。[1] 负压最明显的候选者（与迄今为止的测量相符）是爱因斯坦的宇宙学常数，代表了充满宇宙而物质中没有的能量和压强。暗能量是我们所使用的更一般的术语，它允许一种可能性——宇宙学常数所假设的能量与压强之间的关系不是完全正确而只是近似正确。
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暗能量在宇宙能量中占主导地位。这更为显著，因为暗能量密度极小。暗能量在过去的几十亿年都起着主导作用。早期宇宙演化中，辐射和物质分别占主导地位，但两者在宇宙不断增大的体积中不断被稀释。然而即使宇宙在不断增大，暗能量却保持不变。当宇宙的寿命达到一定长度时，辐射与物质的能量密度已经降低得很厉害，暗能量由于没有被冲淡，终于占据了主导地位。尽管暗能量不可思议的小，最终它也变成了主导因素。在100亿年缓慢增长的膨胀中，暗能量的影响也最终积累起来而使得宇宙开始它的加速膨胀。最终宇宙将终止于空无一物的状态而只剩下真空能，并且它的膨胀还会相应地加速下去（见图20-5）。这个温和的能量可能不会接管地球，但它却在逐渐地接管整个宇宙。
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图20-5 宇宙在不同时期的膨胀不同。在暴胀期，它按指数快速增长；暴胀结束后，传统的大爆炸式膨胀开始；暗能量现在又重新使膨胀速度加速增长。