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图6-3-2 星系作为引力透镜
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天文学家在研究我们自己所在的银河系时，也发现它的外部区域存在暗物质。银河系的形状像一个大圆盘，其大小约为10万光年。根据引力理论，靠近星系中心的恒星，应该移动得比边缘的星体更快。然而，天文学家们从测量中发现，无论位于内部还是边缘，所有恒星以大约相同的速度绕着星系中心旋转。这表明，银河系的外盘存在大量的暗物质，这些暗物质像一个巨大的“暗环”围绕着银河系，其半径可能是明亮圆盘光环的10倍。
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有的读者可能会说：就算你刚才说的天文观测资料证实了宇宙中除了看得见的星体之外，还有暗物质，你又怎么能够知道暗物质有多少呢？图6-3-1中各种成分的比例是“普朗克”卫星公布的资料，那么“普朗克”卫星是如何得到这些数值的？
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这确实是一个有意思的问题。想想平时是如何得到各种物质材料质量之比的，我们使用的是天平或者“秤”。可是，“普朗克”卫星又不能把天体拿到“秤”上去称，它报告的物质比例从何而来呢？
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在天文学中估算天体质量时，人们利用的是在引力理论基础上建立的各种数学模型，无论是行星、恒星、星系，还是各种天文现象，都有其相应的数学模型。这些模型，便是“称量”宇宙的秤。数学模型中有许多未知的参数，需要由天文观测的数据来决定。“普朗克”卫星主要是通过测量微波背景辐射中的细微部分来获得这些参数，然后研究人员将这些数据送入计算机，解出数学模型，最后得到各种成分的比例。
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这是一个相当复杂的过程，包括了很多物理理论、数学知识、计算技术、工程设计等方面的知识。就物理概念的大框架来说，科学家们大概用如下方法估计这个比例。
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以刚才说到的银河系为例，从观测到它的恒星旋转速度与引力理论计算之差距，还有以银河系作为引力透镜的效果，可以计算银河系中暗物质相对于正常物质的比值。而“整个宇宙”（注：这里和本书中，皆指整个“可见”宇宙），可能含有1750亿个星系，每个都有数千亿颗恒星、行星、卫星尘埃、暗物质等。“普朗克”卫星巡视宇宙中所有的星系后，可以估计出宇宙中暗物质相对于正常物质的比值。天文学家早就知道如何估计宇宙中正常星体的总质量，现在，从“明暗”物质的比例便能算出宇宙中暗物质的总质量。不过，我们暂且将这两个数值放在一边，因为还有两个与宇宙总质量有关的观测事实，我们必须考虑。一是宇宙一直在膨胀并且加速膨胀的事实。从膨胀的速度和加速度，可以估计出宇宙的总质量。不同模型有不同的公式，但大同小异，在此不予详细介绍。另一个是有关宇宙的整体平坦性。根据广义相对论的结论，在大质量天体附近，时空是弯曲的，我们观测到光线偏转、引力产生的进动、谱线红移等事实，毫无疑问地验证了爱因斯坦的结论。广义相对论的应用可以扩大到整个宇宙，即研究宇宙的大尺度结构和形态，用来估算宇宙作为一个整体的曲率和形状：宇宙是开的，还是闭的？是像球面、马鞍面，还是更像平面？这个理论涉及一个“临界质量”。如果宇宙的总质量大于临界质量，比较大的引力效应使得宇宙的整体形状成为球面；如果宇宙的总质量小于临界质量，引力效应更弱一些，宇宙的整体形状是马鞍面；宇宙的总质量等于临界质量则对应于平坦的宇宙。
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根据天文观测得到的宇宙学资料，宇宙在大尺度范围内是平坦的，说明宇宙的总质量大约等于临界质量。
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但是，从宇宙加速膨胀得到的宇宙总质量，或者考虑平坦宇宙应该具有的临界质量，都大大超过观测所估计的“明物质”加“暗物质”之总和。
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物理学家提出的“暗能量”，便是为了解释这个宇宙组成中所缺失的大部分。如此便有了图6-3-1中所画的比例。图中所示的比例成分，是2003年“威尔金森微波各向异性探测器”（Wilkinson Microwave Abisotropy，WMAP）卫星给出的结果。2013年，“普朗克”卫星给出的数据是68.3％的暗能量、26.8％的暗物质，以及4.9％的通常物质。
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既然提出暗能量的假说，那么至少总要根据理论的需要描述一下它是个什么东西吧。暗能量像是存在于宇宙中的一种均匀的背景，在宇宙大范围中起斥力作用，加速宇宙的膨胀，但是又不能严格地说它是一种斥力，因此只能称其为能量。天文学家用暗能量来解释宇宙加速膨胀及宇宙整体平坦的观测事实。而暗能量作为一种物理实在，其本质又如何解释呢？对此又有两种说法：一是认为其是弥漫于宇宙中的某种标量场，二是认为它类似某种“真空能”，真空不空，且具有能量，但人们很难探测到它的存在。第二种说法实际上与爱因斯坦在引力场方程中引入的“宇宙常数”有关。爱因斯坦提出广义相对论时，物理界普遍认为宇宙是整体静态的，即既不膨胀也不收缩。因此，爱因斯坦在方程中加上了“宇宙常数”一项，其目的是用以维持一个静止宇宙的图景。但事实上，由此常数的不同数值，可以控制宇宙的演化情形。
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之后，哈勃证实了宇宙不是静止的，而是在不断膨胀。爱因斯坦还曾经为引入了那个宇宙常数懊恼不已，要将“宇宙常数”收回去，认为是自己所犯的“最大的错误”。再后来，在爱因斯坦早已去世的1998年，天文学家又证实了宇宙不但在膨胀，还是加速膨胀。为了解释加速膨胀和暗能量，天文学家和物理学家又把爱因斯坦丢弃的宇宙常数，当宝贝一样捡了回来。不知道如果爱因斯坦的在天之灵听到这个意外的消息，将作何表情？
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因为都是“暗货”，人们经常将暗物质和暗能量混淆。并且，根据爱因斯坦的质能关系式：E＝mc2，质量和能量可以看作是物质同一属性的2个方面，那么为什么还要将两种暗货区别开来呢？其中原因很难说清，基本上还是因为我们尚未明白它们到底是什么？
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这两种“暗货”在宇宙中的具体表现大不相同。也就是说，暗物质和暗能量这两个概念在本质上有所区别。虽然它们也许有关系，但有什么关系没人知道。人们知道更多的是两者的不同。暗物质吸引，暗能量排斥。暗物质的引力作用与一般普通物质之间的引力一样，使得它们彼此向内拉，而暗能量却推动天体互相向外分离。暗物质的影响表现于个别星系，而暗能量仅仅在宇宙尺度起作用。可以如此总结宇宙不同成分的作用：宇宙由明物质和暗物质组成，并因暗能量而彼此分开。
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宇宙中各种成分的比例并非一成不变的。除了因为不同地点、不同卫星、不同年代，提供不同数据而算出不同比值的人为差距之外，理论模型还预言该比值在大时间范围内的变化，如图6-3-3所示。
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图6-3-3 暗物质和暗能量的“拉锯战”
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图6-3-3中可见，暗质量增加宇宙中的质量，使得天体互相拉近，图中将它们的作用比喻为向下拉的弹簧。而暗能量在图中被比喻为升空的气球，欲将控制宇宙大小之“弹簧”拉长，使得其间天体互相分离。这两种作用不停地进行这种“拉锯战”。图6-3-3还分别形象地表示出了90亿年前、50亿年前，以及现在的宇宙大小及两种作用的大小。
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尽管已经有越来越多的证据显示暗物质和暗能量的存在，但这些“证据”毕竟是间接的。因此，近年来科学家们一直在努力改进实验和观测手段，试图“捕获”这些暗货，但迄今尚未成功。理论学家们也在努力建立其他的模型来解释它们。真正有这些我们完全不了解的物质存在吗？宇宙加速膨胀真的来自于暗能量这种额外力量的推动吗？会不会是观测结果不够准确呢？或许是作为宇宙学基础的广义相对论有某种根本性的问题？
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2015年年初，暗货领域又传来了与我们过去认识有所不同的新消息：暗货添加了新内容！除了暗物质和暗能量之外，可能还有一种未知的暗相互作用，由某种“暗光子”传递？如此推论下去，也许暗物质是由数种粒子组成的，它们会相互作用，组成暗原子、暗分子甚至暗星系，构成一个“暗世界”？
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有关暗能量和暗物质，还有很多未解之谜，对它们的探索和物理解释是对21世纪理论物理学最严峻的挑战！
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970791]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 4．群星灿烂
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