（本文摘自知乎）
? 陳昱光（加州理工學(xué)院(Caltech) · 天體物理學(xué)）：
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簡單來說，暗物質(zhì)表現(xiàn)的更像普通可觀測到的物質(zhì)，它貢獻(xiàn)引力；暗能量則與我們所觀察到的物質(zhì)大相徑庭，它貢獻(xiàn)斥力。
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?一. 暗物質(zhì)
?暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)來源于1970年左右Vera Rubin（薇拉魯賓）對銀河系鄰居仙女座大星系（M31）的星系旋轉(zhuǎn)曲線的測量。她測量距離星系中心不同半徑處物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度，得到如下的圖。橫坐標(biāo)是距離星系中心的距離，縱坐標(biāo)是旋轉(zhuǎn)速度。我們知道，如果知道了星系的質(zhì)量分布，速度與距離的關(guān)系就可以用開普勒定律求出來（紅線）。至于質(zhì)量分布怎么求？原理是，通過測量光的分布，然后猜測一些星系的年齡和恒星形成率，從而算出來一個(gè)相對靠譜的光度-質(zhì)量比。所以，求質(zhì)量分布時(shí)首先已經(jīng)假設(shè)了所有物質(zhì)會(huì)按一定比例發(fā)光。有很多人說，如果不發(fā)光的就是暗物質(zhì)，那么像地球行星這些不會(huì)發(fā)光只會(huì)反射光的是不是也是暗物質(zhì)。事實(shí)上，這些物質(zhì)相對于恒星的占比是很小的，在具體計(jì)算中也基本上考慮進(jìn)去了。然而測量結(jié)果（白線）令人大跌眼鏡，在星系外圍的繞轉(zhuǎn)速度比計(jì)算得到的要快很多。
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? 這說明了星系里有很多質(zhì)量是看不見的，因?yàn)?/span>V∝(GM/r)1/2，想要支撐這么大的速度需要更多的質(zhì)量。當(dāng)然，你可以用其它原因來解釋。天文學(xué)家們也不傻，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了以后，大家立刻想出了很多解釋，比如外圍的物質(zhì)因?yàn)槟承┰虿⒉荒苡行纬珊阈牵圆话l(fā)光；或者干脆說你這玩意測錯(cuò)了，也許你把背景的一些不屬于這個(gè)星系的物質(zhì)測進(jìn)來了。但是，事后的結(jié)果越發(fā)“不正常”，最終起名為“暗物質(zhì)”引起的。人們發(fā)現(xiàn)這些不會(huì)發(fā)光的物質(zhì)的物理性質(zhì)與能發(fā)光的正常物質(zhì)相差太大。
現(xiàn)在測量暗物質(zhì)并不需要星系旋轉(zhuǎn)曲線這種“愚蠢”的辦法了。一種比較好的辦法是通過引力透鏡，因?yàn)楣饩€通過大質(zhì)量天體時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲（下圖）。
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? 所以，如果一個(gè)大質(zhì)量天體后面正好有個(gè)光源，會(huì)變成這樣：
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? 傳說中的愛因斯坦環(huán)，和前景的引力場狀態(tài)密切相關(guān)，有的時(shí)候會(huì)變成象下圖。天文學(xué)家仔細(xì)看圖里哪里有被引力透鏡彎曲了的背景星系，就可以判定前景星系的質(zhì)量分布。
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? 通過類似的觀測，人們發(fā)現(xiàn)了很多像下面這個(gè)比較著名的例子，Bullet Cluster：
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? 藍(lán)色代表暗物質(zhì)分布，紅色是通過X射線觀測到的星系團(tuán)中氣體的分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，這個(gè)星系團(tuán)實(shí)際上是兩個(gè)星系團(tuán)正在進(jìn)行并合的產(chǎn)物。氣體在并合過程中由于相互作用，互相穿過對方以后，已經(jīng)完全變形了。而不發(fā)光的暗物質(zhì)則表現(xiàn)的完全不同，兩團(tuán)物質(zhì)依然十分分明，碰撞過后對形態(tài)并沒有什么影響。由此可以發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)之間的相互作用比正常物質(zhì)要弱的多。
現(xiàn)在一般認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子之間，或暗物質(zhì)與正常物質(zhì)之間的相互作用非常微弱。除了引力相互作用以外，只能進(jìn)行弱相互作用。同時(shí)，根據(jù)暗物質(zhì)粒子的可能運(yùn)動(dòng)速度，人們將暗物質(zhì)粒子分類為熱暗物質(zhì)（Hot Dark Matter，HDM，粒子運(yùn)動(dòng)速度接近光速），冷暗物質(zhì)（Cold Dark Matter，CDM，粒子運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速）和溫暗物質(zhì)（Warm Dark Matter，WDM，速度居中）。通過計(jì)算機(jī)模擬，天文學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，組成宇宙中暗物質(zhì)的主要成分應(yīng)該為冷暗物質(zhì)。但是，冷暗物質(zhì)模型也存在一些疑難，比如冷暗物質(zhì)預(yù)言的銀河系伴星系明顯多于現(xiàn)在已知的伴星系。暗物質(zhì)也吸引了很多粒子物理學(xué)家，例如華裔諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主丁肇中，就在國際空間站放了一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器（阿爾法磁譜儀），用來直接探測暗物質(zhì)粒子。人們還知道，暗物質(zhì)占宇宙中的質(zhì)量要比正常物質(zhì)多得多，宇宙尺度上有關(guān)引力相互作用的事件都是暗物質(zhì)主導(dǎo)的，包括星系的形成和并合。
總之，對于暗物質(zhì)的性質(zhì)，人們目前認(rèn)識的比較多，也有一些暗物質(zhì)粒子的候選體。個(gè)人認(rèn)為，直接探測到暗物質(zhì)粒子，并且確認(rèn)其物理組成只是時(shí)間問題。
? 二.暗能
? 相比于暗物質(zhì)，人們對暗能量則知之甚少。
暗能量與2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)息息相關(guān)。它的發(fā)現(xiàn)主要起源于Adam Riess在1998年用超新星發(fā)現(xiàn)的宇宙在加速膨脹的事實(shí)。（注：諾獎(jiǎng)授予了Adam Riess（亞當(dāng)·里斯）, Brian Schmidt（布萊恩·施密特）和Saul Perlmutter（薩爾·波爾馬特）三人，但由于歷史原因，Adam Riess和Saul Perlmutter誰第一個(gè)發(fā)現(xiàn)還存在爭議）。
大致來說，更遙遠(yuǎn)宇宙意味著更古老的宇宙，因?yàn)楣獾膫鞑バ枰獣r(shí)間。同時(shí)，遙遠(yuǎn)宇宙遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)的速度越快（有更大紅移），因?yàn)橛钪嬖谂蛎洝＿@可以用大名鼎鼎的哈勃定律來表示：v ＝H0D 。下圖就是哈勃當(dāng)年發(fā)的paper里的圖?？v坐標(biāo)是速度，橫坐標(biāo)是距離，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)星系。
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? 很清楚，由于宇宙里物質(zhì)的相互作用，這個(gè)膨脹的速度是會(huì)改變的。所以，我們測的遠(yuǎn)會(huì)發(fā)現(xiàn)哈勃定律并不再是簡單的線性關(guān)系。而變成了下圖的樣子。
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? 橫軸是紅移（與速度直接相關(guān)），縱軸是等效亮度（與距離直接相關(guān)）。藍(lán)色虛線和黑色實(shí)現(xiàn)是幾種宇宙模型。細(xì)節(jié)并不重要，讓人驚詫的是，從上往下第三根藍(lán)線是人們最容易預(yù)料的，也就是宇宙里所有物質(zhì)都貢獻(xiàn)引力，于是宇宙在減速膨脹。然而通過Ia型超新星測量出來的數(shù)據(jù)點(diǎn)卻并不支持這樣的宇宙。測量數(shù)據(jù)倒是傾向于一個(gè)加速膨脹的宇宙。也就是說，宇宙中占主導(dǎo)的并不是物質(zhì)之間的引力，而是一種莫名其妙的向外的壓力。人們將這種壓力的來源稱之為暗能量。
當(dāng)然，天文學(xué)家不傻。很多人提出了很多可能不引入暗能量這一概念來解釋這一現(xiàn)象。比如用Ia型超新星測量距離要依賴于它一個(gè)性質(zhì)。那就是Ia型超新星爆發(fā)之后亮度會(huì)逐漸變暗。其亮度變暗的速度與其亮度峰值時(shí)的光度（也就是發(fā)出來的所有光的能量）有線性關(guān)系。因此知道了幾個(gè)Ia型超新星的光度，在比較這些值與我們看到的亮度，就可以知道它們的距離。下圖給出了幾個(gè)Ia型超新星的光變曲線?？v軸是光度，橫軸是時(shí)間?？梢悦黠@的看到Ia型超新星變暗的速度越快（斜率越大），它們的光度就越小。
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? 這樣的線性關(guān)系實(shí)際上是基于觀測的，人們并不十分知道是什么原因?qū)е铝诉@樣的關(guān)系，也就不知道這個(gè)性質(zhì)在遙遠(yuǎn)的宇宙是否會(huì)發(fā)生變化。不過后來，人們除了使用Ia型超新星這一種辦法，還用了宇宙微波背景輻射（CMB），重子聲波震蕩（BAO）等方法，分別獨(dú)立的確認(rèn)了暗能量的存在，并且給出了類似的暗能量密度數(shù)值。
暗能量具有什么性質(zhì)，在空間中的分布是否均勻，還是存在什么樣的結(jié)構(gòu)？實(shí)際上并不十分清楚，也就很難討論暗能量的物理起源。目前，從天文學(xué)上能做的就是引入愛因斯坦常數(shù)Λ，然后確定它的值現(xiàn)在有多大。愛因斯坦當(dāng)年用廣義相對論計(jì)算宇宙演化，算來算去發(fā)現(xiàn)不對，因?yàn)樗愠鰜淼挠钪娉叨炔荒苁遣蛔兊模@與當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為的靜態(tài)宇宙觀不符，于是就在方程里放進(jìn)一個(gè)常數(shù)Λ，使得宇宙既不膨脹也不收縮。但是，宇宙的尺度雖然不變了，但是人們很快發(fā)現(xiàn)這個(gè)平衡是不穩(wěn)定的。也就是說Λ的值稍微變化一點(diǎn)，宇宙就會(huì)不可逆轉(zhuǎn)的膨脹或者收縮下去。哈勃定律的發(fā)現(xiàn)，讓人們知道，宇宙學(xué)常數(shù)的引入是愛因斯坦的一個(gè)錯(cuò)誤。但是同時(shí)暗能量的發(fā)現(xiàn)又讓人們重新拾起這個(gè)常數(shù)，用它來制造一個(gè)可以加速膨脹的宇宙。
暗能量的物理起源似乎還沒有頭緒，但是，討論它的具體性質(zhì)，比如Λ是否是一個(gè)合適的表征暗能量的參數(shù)，以及暗能量的空間分布等還是可能的。
目前（Planck衛(wèi)星）最精確的測量（以能量密度表征），宇宙中正常物質(zhì)占4.9%，暗物質(zhì)占26.8%，暗能量占68.3%?？梢园l(fā)現(xiàn)宇宙中主要是暗能量（Λ）主導(dǎo)，其次是冷暗物質(zhì)（CDM），再次才是我們平?？梢姟⒖捎|摸到的正常物質(zhì)。這說明宇宙中絕大部分還是我們不能充分了解的東西。而ΛCDM這樣的縮寫，也代表了現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型。
（編輯于 2015-06-28）
王力樂（普林斯頓大學(xué) (Princeton University)）
? 如此并舉暗物質(zhì)、暗能量這兩個(gè)概念，不禁想起高中時(shí)被人問過的這樣一個(gè)問題：“點(diǎn)電荷和正電荷有什么區(qū)別？”——我當(dāng)時(shí)哽咽了，沒有意識到這并不是物理，而是語文和邏輯學(xué)… 。簡單地說，暗質(zhì)暗量都是某種“存在”，但它們不是一種東西，相同之處不過就是這個(gè)“暗”字而已。
“暗”意味著它們幾乎不參與電磁相互作用。電磁波（從射電、毫米/亞毫米，到紅外、可見、紫外，再到X射線和γ射線）是我們探測宇宙的最重要手段，在目前可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比探測中微子和引力波重要得多。“不參與電磁相互作用”意味著它們無法直接參與發(fā)射電磁波的過程，也意味著它們不散射（“反射”也不過也是散射）、不吸收電磁波。因此，想直接探測暗物質(zhì)，用任何形式的電磁波都是不行的。
怎么辦？人們設(shè)想，暗物質(zhì)很有可能會(huì)參與弱相互作用。弱相互作用與很多核物理過程有密切關(guān)系，特別是當(dāng)核子的性質(zhì)發(fā)生變化的時(shí)候。所以，人們就設(shè)法囤積大量的某類物質(zhì)（原子的核子數(shù)量多——這樣的物質(zhì)更容易發(fā)生弱相互作用，但要容易剔除可能影響探測的雜質(zhì)），放在地下以屏蔽宇宙射線的干擾，以期看到與暗物質(zhì)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從事這個(gè)實(shí)驗(yàn)的研究組有許多。在國內(nèi)，清華和上海交大就打算在二灘水電站的施工涵洞里，擺上一堆閃爍體，用于探測暗物質(zhì)的信號。
2002 年，各暗物質(zhì)探測研究組都沒有發(fā)聲報(bào)告結(jié)果，卻有個(gè)叫做DAMA 的研究組聲稱，通過使用某種“秘制”的碘化鈉晶體（碘的核子數(shù)量相對較多），他們探測到了穩(wěn)定且強(qiáng)烈的暗物質(zhì)存在的信號?？墒牵@個(gè)研究組做了件頗有點(diǎn)兒“傷天害理”的事兒：他們以“商業(yè)機(jī)密”（生產(chǎn)碘化鈉的是一家商業(yè)公司）為由，拒絕公布原始數(shù)據(jù)、晶體制造過程，以及實(shí)驗(yàn)的具體方案。他們與生產(chǎn)碘化鈉晶體的公司達(dá)成協(xié)議，嚴(yán)禁其公布制造（高純度、充分剔除各種干擾性同位素）碘化鈉的工藝和配方（不知究竟是什么機(jī)密）。簡言之，他們拒絕任何人重復(fù)他們的實(shí)驗(yàn)的企圖。所以，盡管這個(gè)研究組發(fā)表了重量級論文，并言之鑿鑿地聲稱結(jié)果絕對可靠，但學(xué)界并沒有普遍承認(rèn)他們的結(jié)果。
除了DAMA，其他實(shí)驗(yàn)組都沒有得出清晰而穩(wěn)定的暗物質(zhì)存在的相關(guān)證據(jù)?？磥?，直接探測頗有嚴(yán)重受阻的味道。那么，能不能退而求其次，做間接探測呢？
假如你在我與一個(gè)燈泡之前放上一團(tuán)暗物質(zhì)，那我看到的還是那個(gè)燈泡，什么異常都發(fā)現(xiàn)不了；除非你放得太多了，使得暗物質(zhì)的引力場能夠明顯地“折彎光線”。這要取決于你怎么放置這一團(tuán)暗物質(zhì)，使我可能會(huì)看見燈泡變亮了（微引力透鏡效應(yīng)——雖然常見的微引力透鏡基本上都與暗物質(zhì)沒什么關(guān)系），也可能會(huì)看見燈泡變得奇形怪狀而且不在原來的位置上了（強(qiáng)引力透鏡）。如果暗物質(zhì)背后不止是一個(gè)燈泡，而是數(shù)十個(gè)，那么經(jīng)過統(tǒng)計(jì)之后，我也許發(fā)現(xiàn)燈泡的圓扁程度發(fā)生了總體性的變化（弱引力透鏡）。
你可能會(huì)說，不是暗物質(zhì)的東西（比如太陽）也能折彎光線。但是，如果沒有暗物質(zhì)，那么引力透鏡現(xiàn)象應(yīng)該比現(xiàn)在所能見到的少得多也弱得多。
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? 事實(shí)上我們看到了很多很多的這類現(xiàn)象，上圖中的那些弧形就是。前一陣子，人們還發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)引力透鏡成像中的超新星（下圖）：四個(gè)像各自對應(yīng)的光的軌跡長度不同。所以人們“不止一次地”看到了同一顆超新星的爆發(fā)。
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? 除了上述的，便是最經(jīng)典的證據(jù)——星系的旋轉(zhuǎn)曲線。如果沒有暗物質(zhì)，星系中星體繞星系中心的旋轉(zhuǎn)速度，會(huì)隨著半徑的增加而快速下降。可是，我們看到的是這樣的曲線：
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? 陳昱光的答案最后提到了宇宙中超過星系團(tuán)尺度的結(jié)構(gòu)。在研究中，人們發(fā)現(xiàn)，如果宇宙中僅僅有普通物質(zhì)的數(shù)量，則我們應(yīng)該得到的超星系團(tuán)尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)，會(huì)與我們觀測到的完全不同。比如，一團(tuán)在自身引力下塌縮的物質(zhì)，同等尺度下，質(zhì)量越大，塌縮得越快；如果沒有暗物質(zhì)，則那些大尺度結(jié)構(gòu)形成的速度，會(huì)大大慢于觀測所揭示的速度。又如，當(dāng)普通物質(zhì)（可以稱為“氣體”）的密度足夠高時(shí)，借助電磁相互作用之下的散射，氣體內(nèi)部會(huì)發(fā)生動(dòng)量的平均化——或者叫做粘滯——這使得普通物質(zhì)能夠消耗掉過剩的能量，在相對較小一些的尺度上形成結(jié)構(gòu)的速度，會(huì)快于暗物質(zhì)——暗物質(zhì)缺乏這種粘滯（通常只能通過引力，把動(dòng)量傳遞給普通物質(zhì)，再由普通物質(zhì)“粘滯掉“這部分動(dòng)量），會(huì)像一群蒼蠅圍著爛蘋果一直轉(zhuǎn)悠那樣，圍繞著質(zhì)量中心進(jìn)進(jìn)出出地“轉(zhuǎn)悠”。
在下面這張圖片里，星系團(tuán)尺度的結(jié)構(gòu)的形成就是由暗物質(zhì)引致的：
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? 曾經(jīng)，人們認(rèn)為，中微子可以是暗物質(zhì)的候選者——它幾乎不參與電磁相互作用，而且數(shù)量龐大，被人們理解得很好。中微子質(zhì)量非常小，只要稍有動(dòng)能，它就幾乎以光速運(yùn)動(dòng)，并稱它是“熱暗物質(zhì)”。與之相比較，如果暗物質(zhì)是由某些理論預(yù)言的大質(zhì)量粒子構(gòu)成，則它們在一定能量下的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)相當(dāng)?shù)停谑潜环Q為”冷暗物質(zhì)“。
在這兩個(gè)模型競爭了許久之后，人們發(fā)現(xiàn)，如果暗物質(zhì)是“熱的”，則因?yàn)樗鼈儽旧淼乃俣纫恢焙芸?，則它們在自身引力下可以塌縮凝聚，卻難免讓它們因?yàn)閾碛懈咚俣魇?，這將使得塌縮形成結(jié)構(gòu)的速度更慢，也不容易形成更小的結(jié)構(gòu)。按照這一分析就與觀測結(jié)論相悖。所以，時(shí)至今日，占據(jù)主導(dǎo)地位的暗物質(zhì)模型，便是所謂“冷暗物質(zhì)”了，盡管仍然沒有人能準(zhǔn)確指出“冷暗物質(zhì)”到底是什么。
宇宙演化與暗物質(zhì)有關(guān)。宇宙的膨脹速度，由弗里德曼方程給出，方程之中，有一個(gè)位置是給暗物質(zhì)的，還有一個(gè)位置是給暗能量的。簡單地說，暗物質(zhì)的存在與普通物質(zhì)和輻射一樣，它的作用是“將宇宙膨脹減速”。
順便指出，引力場的場源是能量-動(dòng)量張量。輻射是有能量的，會(huì)產(chǎn)生引力效應(yīng)。如若不然，我們的宇宙學(xué)理論就會(huì)從頭錯(cuò)到尾，與觀測結(jié)論完全對應(yīng)不上。請你不要因?yàn)橛?/span>“權(quán)威人士”聲稱“輻射場不產(chǎn)生引力”就相信他那一套。
隨著宇宙的膨脹，輻射、普通物質(zhì)與暗物質(zhì)的密度越來越低，對抗暗能量的能力越來越弱；而暗能量的密度，卻從不衰減。在通常的宇宙學(xué)模型中，暗能量是一種分布于全空間的能量，而且密度并不隨宇宙膨脹而降低。
對暗能量直接進(jìn)行解說有些困難，畢竟愛因斯坦場方程是一個(gè)計(jì)算起來一團(tuán)糟的東西，而就算是弗里德曼方程也是一個(gè)非線性的方程。
宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)，與2011 年諾貝爾獎(jiǎng)有密切關(guān)系。通過對SN Ia（Ia 型超新星）的觀測，人們獲取了宇宙的“光度距離”（遙遠(yuǎn)物體的表觀與實(shí)際光度之間關(guān)系的量度）與宇宙學(xué)紅移（光子被宇宙膨脹“拉長”的結(jié)果，將其解釋為多普勒效應(yīng)是錯(cuò)誤的）的關(guān)系，意識到了如果暗能量不存在，那么，我們對SN Ia 的觀測結(jié)果就無法解釋。在下圖中，作者列舉了不同ΩΛ（暗能量的相對密度）下的“宇宙演化歷史”，并發(fā)現(xiàn)，觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯偏向ΩΛ＞0的一側(cè)，這表明，宇宙的暗能量密度不是零。
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?本圖正是諾貝爾獎(jiǎng)得主在關(guān)鍵論文中所用的。圖中“光度距離”
已被轉(zhuǎn)化為“有效星等”
? 那么暗能量的本質(zhì)到底是什么？曾經(jīng)人們都說，這暗能量乃是量子場論中所說的“真空能”。這個(gè)名字其實(shí)并沒有它聽上去那么神秘。所謂的“真空”，意思是說本該被某種東西充滿，只有這樣，整個(gè)空間的總能量才能變得最低、最穩(wěn)定。但這個(gè)東西的密度與膨脹之類的情形可能都沒有什么聯(lián)系。
量子場論給出來的暗能量密度，是宇宙學(xué)觀測所得到的暗能量密度的10120倍。這樣一來，人們只能對暗能量的性質(zhì)做更進(jìn)一步的探索了。
所以，嚴(yán)格說現(xiàn)在沒有人知道暗物質(zhì)和暗能量究竟是什么？一定意義上，它們是唯象的模型，能給出對宇宙學(xué)諸多觀測事實(shí)的漂亮解釋，這確實(shí)很不容易了。
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