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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。
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能量、宇宙物质与暗物质谜题
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研究暗能量与暗物质的必要性告诉我们，我们不能因为宇宙学理论与宇宙学数据的暗示惊人地相符，就沾沾自喜于我们对宇宙演化的理解。宇宙中绝大多数物质的本质还都是一个迷。20年后的人们可能会嘲笑我们今天的无知。
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这些还不是由宇宙的能量引出的唯一谜题。特别是，暗能量的数值实际上是一个更大谜题的细枝末节：为什么充满了宇宙的能量如此小？暗能量的数量如果大一些的话，它就会在宇宙演化的更早时期取代物质与辐射的主导地位，而结构（以及生命）都不会有足够的时间来形成。最重要的是，没有人知道早期引发和提供了暴胀的巨大能量密度是从哪里来的。但是宇宙能量最大的问题是宇宙学常数问题。
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基于量子力学，我们期望的是一个数值上大得多的暗能量，无论在暴胀期间还是现在。量子力学告诉我们真空（没有永恒的粒子的状态）实际上充满了转瞬即逝的粒子，它们随时可以产生和湮灭。这些寿命极短的粒子可以具有任何能量。它们有时能量大到其引力效应不能再被忽视。这些高能粒子向真空贡献了极高的能量——比经历了漫长演化的宇宙所允许的大得多。为了让宇宙看起来与我们所看到的相同，真空能的大小需要比量子力学所允许的数值惊人地小上120个数量级。
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关于这个问题还有进一步的挑战。为什么我们恰好生活在物质、暗物质与暗能量可以相提并论的年代？暗能量比物质[76] 的比例高，但是相差少于三倍。鉴于原则上能量有完全不同的起源，并且任何一方都曾经占据过主导地位，它们的密度现在却显得如此接近，这个事实非常不可思议。这个巧合的奇异性非常显著，因为它只有（粗略地说）在我们的时代，才发生了这样的巧合。在宇宙更早时期，暗能量所占的比例非常小；而以后它所占的比例又将变得很大。只有现在这三个部分：普通物质、暗物质与暗能量的比例是相当的。
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不过，为什么能量密度极小、为什么不同的能量来源贡献了比例相当的部分，这些问题目前完全没有解释。事实上，一些物理学家相信不存在真正的解释。他们认为我们生活的宇宙有如此令人难以置信的真空能，稍大一点就会阻止宇宙中星系与结构（包括人类在内）的形成。那么我们今天也不会存在于这里，在这里询问具有稍微大一点宇宙学常数的任何宇宙的能量值问题。那些物理学家相信有许多宇宙，而且每一个宇宙都具有不同的暗能量。在许多可能的宇宙中，只有能给出现有结构的这一个才可以创造出人类。该宇宙中的能量值超乎寻常得小，但是我们只能存在于恰好具有这么小能量值的宇宙中。它的原因就是我们在第18章考虑的人择原理。就像在第18章说过的，我并没有被说服。无论如何，我或者其他人都没有更好的解答。暗能量的值可能是粒子物理学家和宇宙学家目前所面临的最主要的疑难 。
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除了能量之谜，我们还有关于物质的一个更进一步的宇宙学疑难：为什么宇宙中会有物质？我们的问题源于物质与反物质有着相同的基础。物质与反物质在碰到对方时同时湮灭，两者都消失。当宇宙降温时，物质与反物质都不应该保留下来。
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虽然暗物质的相互作用很微弱，因此可以在宇宙中飘荡，但是普通物质通过强相互作用力的相互作用却很强。如果没有对于标准模型的额外添加，几乎所有的普通物质都会在宇宙冷却到现在的温度时消失殆尽。物质可以存留下来的唯一原因是物质比反物质多了很多。我们的理论中最早没有这样的设定。我们需要找到质子存在而反质子不存在的原因。因此必须引入一种物质-反物质的不对称性。
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剩下来的物质总量比暗物质的少，但它仍然是宇宙中可观的一部分，更不用说它还是我们所知和所爱的一切东西的来源。何时、如何产生了物质-反物质的不对称性 ？这是粒子物理学家与宇宙学家非常想要解决的另一个大问题。
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当然，是什么组成了暗物质也是至关重要的一个问题。也许我们最终能发现将暗物质与物质密度相关联的基本模型，如同近来的一些研究所提议的。无论如何，我们希望可以尽快从实验了解更多有关暗物质的问题，这些实验是我们现在探索的一个样本。
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