【暗能量】
宇宙學(xué)中，暗能量是某些人的猜想，指一種充溢空間的、具有負(fù)壓強(qiáng)的能量。按照相對(duì)論，這種負(fù)壓強(qiáng)在長距離類似于一種反引力。如今，這個(gè)猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質(zhì)等問題的一個(gè)最流行的方案。
暗能量主要有兩種模型：宇宙學(xué)常數(shù)（即一種均勻充滿空間的常能量密度）和quintessence（即一個(gè)能量密度隨時(shí)空變化的動(dòng)力學(xué)場(chǎng)）。區(qū)分這兩種可能需要對(duì)宇宙膨脹的高精度測(cè)量和對(duì)膨脹速度隨時(shí)間變化更深入的理解。因?yàn)橛钪媾蛎浰俣扔捎钪鎸W(xué)物態(tài)方程來描寫，所以測(cè)量暗物質(zhì)的物態(tài)方程是當(dāng)今觀測(cè)宇宙學(xué)的最主要問題之一。
暗能量它是一種不可見的、能推動(dòng)宇宙運(yùn)動(dòng)的能量，宇宙中所有的恒星和行星的運(yùn)動(dòng)皆是由暗能量來推動(dòng)的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因?yàn)樗谟钪娴慕Y(jié)構(gòu)中約占73%，占絕對(duì)統(tǒng)治地位。暗能量是近年宇宙學(xué)研究的一個(gè)里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據(jù)有兩個(gè)。一是對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星所進(jìn)行的大量觀測(cè)表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場(chǎng)方程，加速膨脹的現(xiàn)象推論出宇宙中存在著壓強(qiáng)為負(fù)的"暗能量"。另一個(gè)證據(jù)來自于近年對(duì)微波背景輻射的研究精確地測(cè)量出宇宙中物質(zhì)的總密度。我們知道所有的普通物質(zhì)與暗物質(zhì)加起來大約只占其1/3左右，所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質(zhì)稱為暗能量，其基本特征是具有負(fù)壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結(jié)團(tuán)。最近WMAP數(shù)據(jù)顯示，暗能量在宇宙中占總物質(zhì)的73％。值得注意的是，對(duì)于通常的能量（輻射）、重子和冷暗物質(zhì)，壓強(qiáng)都是非負(fù)的，所以必定存在著一種未知的負(fù)壓物質(zhì)主導(dǎo)今天的宇宙。
宇宙的運(yùn)動(dòng)都是旋渦型的，所以暗能量總是以一種旋渦運(yùn)動(dòng)的形式出現(xiàn)。所以，在暗能量的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)能形成一種旋渦場(chǎng),我們稱之為暗能量旋渦場(chǎng)，簡稱為旋渦場(chǎng)。我們用En來表示太陽系的暗能量，用Ep來表示物質(zhì)繞太陽系中心運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)能。當(dāng)En=Ep時(shí)，太陽系旋渦場(chǎng)處于平衡狀態(tài)，它既不會(huì)膨脹也不會(huì)收縮。但當(dāng)En衰退時(shí)，太陽系旋渦場(chǎng)就會(huì)收縮，太陽系中所有的行星就會(huì)向太陽靠近。
要提及暗能量，我們不得不先提及另外一個(gè)和它密切相關(guān)的概念——暗物質(zhì)，之所以將其稱之為暗物質(zhì)而不是物質(zhì)就是因?yàn)樗c一般的普通物質(zhì)有著根本性的區(qū)別。普通物質(zhì)就是那些在一般情況下能用眼睛或借助工具看的見、摸得著的東西，小到原子、大到宇宙星體，近到身邊的各種物體遠(yuǎn)到宇宙深處的各種星系。普通物質(zhì)總是能與光或者部分波發(fā)生相互作用或者在一定的條件下自身就能發(fā)光、或者折射光線，從而被人們可以感知、看見、摸到或者借助儀器可以測(cè)量得到，但是暗物質(zhì)恰恰相反，它根本不與光發(fā)生作用更不會(huì)發(fā)光，因?yàn)椴话l(fā)光又與光不發(fā)生任何作用，所以不會(huì)反射、折散或散射光即對(duì)各種波和光它們都是百分之百的透明體！所以在天文上用光的手段絕對(duì)看不到暗物質(zhì)，不管是電磁波、無線電還是紅外射線、伽馬射線、X射線這些統(tǒng)統(tǒng)都毫無用處，故爾不被人們的感知所感覺也不被目前的儀器所觀測(cè)，故此為了區(qū)分普通物質(zhì)和這種特殊的物質(zhì)而將這種特殊的物質(zhì)稱之為“暗物質(zhì)”。
“暗能量”相比較暗物質(zhì)更是奇特的有過之而不及，因?yàn)樗挥形镔|(zhì)的作用效應(yīng)而不具備物質(zhì)的基本特征，所以都稱不上物質(zhì)故爾將其稱之為“暗能量”，“暗能量”雖然也不被人們所感覺也不被目前各種儀器所觀測(cè)，但是人們憑借理性思維可以預(yù)測(cè)并感知到它的確存在。
特別是近幾年來，由于微波背景輻射的細(xì)致觀測(cè)(WMAP的精密數(shù)據(jù),Supernovae Ia的數(shù)據(jù))，呈現(xiàn)以下一些驚人的觀測(cè)結(jié)果和數(shù)據(jù)：
a) 宇宙年齡是137±2億年
b) 哈勃常數(shù)是0.71±公里/秒/Mp c
c) 宇宙呈現(xiàn)以下結(jié)構(gòu)，宇宙總質(zhì)量(100%)≌重子+輕子(4.4%)+熱暗物質(zhì)(≤2%)+冷暗物質(zhì)(≈20%)+暗能量(73%)，而總密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同于平直空間所要求的臨界密度。（這個(gè)公式的意思是，在整個(gè)宇宙中我們目前所看到的星系只占整個(gè)宇宙的約 4%左右，其余約96%的物質(zhì)都是我們看不見、不了解的東西。）
d) “暗能量”將呈現(xiàn)一些前所未有的一些全新的性質(zhì)：
物質(zhì)的狀態(tài)方程由P=Wρn所表示，(其中P是壓力，ρ是密度，W是某一常數(shù)，n是某一數(shù)值)，普通物質(zhì)W≥0，P≥0，ρ≥0，這就意味著物質(zhì)所產(chǎn)生的壓力表現(xiàn)為正數(shù)、正值。
而暗能量的狀態(tài)方程中的卻是，W = -1。這則意味著“暗能量”的壓力是負(fù)數(shù)、負(fù)值，壓力是正值時(shí)就是我們所長說的“壓力概念”，這很好理解，物質(zhì)的密度越大壓力則越大，而負(fù)值的壓力就不是通常所說的壓力了，而是人們常說的“吸力”更為關(guān)鍵的是這種負(fù)壓力P卻“負(fù)”得很大，大的讓人不敢想象？！
這究竟是什么樣的物質(zhì)為什么會(huì)呈現(xiàn)這樣的特質(zhì)？這會(huì)不會(huì)是一種人類尚沒有發(fā)現(xiàn)、更不曾知道的、全新的物質(zhì)形態(tài)？有人寓言，這種新的物質(zhì)形態(tài)的一經(jīng)出現(xiàn)和被發(fā)現(xiàn)必將導(dǎo)致物理學(xué)理論的新的大突破和新的革命！?。?br> 關(guān)于暗能量概念的起源，我們還得追溯到科學(xué)巨匠愛因斯坦他在1915年的相對(duì)論中提出一組引力方程式，方程式的結(jié)果都預(yù)示著宇宙是在做永恒的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)結(jié)果與愛因斯坦的宇宙是靜止的觀點(diǎn)相違背，為了使這個(gè)結(jié)果能預(yù)示宇宙是呈靜止?fàn)顟B(tài)愛因斯坦又給方程式引入了一個(gè)項(xiàng)，這個(gè)項(xiàng)就是現(xiàn)在人們稱之為的 “宇宙常數(shù)”。
1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”的成員的哈佛大學(xué)天文學(xué)家羅伯特·基爾希納根據(jù)超新星的變化顯示，宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢反而在一種看不見的、無人能解釋的、神秘力量的控制、推動(dòng)下變快，問題是無人知道這個(gè)神秘力量是什么？更無人知道為什么是變快而不是變慢？這是出于什么原因？它是如何發(fā)生的？關(guān)于這種力量及其載體至今無人能知曉，人們只是猜測(cè)：我們現(xiàn)在所處的這個(gè)宇宙可能處于一種目前人類還不了解、還未認(rèn)識(shí)到的繼目前物質(zhì)的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、“場(chǎng)態(tài)”之后另一種物質(zhì)狀態(tài)的物質(zhì)控制、作用之下，這種物質(zhì)不同于普通物質(zhì)的一切屬性及其存在和作用機(jī)制，這種“物質(zhì)”因其絕對(duì)不同于人們所熟知的普通物質(zhì)態(tài)，故爾科學(xué)家為了區(qū)分它們暫且將它稱之為“暗物質(zhì)”、將其具備的作用稱之為“暗能量”，“暗物質(zhì)”、“暗物質(zhì)”就成為當(dāng)今天文學(xué)界、宇宙學(xué)界和物理學(xué)界等等科學(xué)界中最大的謎團(tuán)之一。
后來人們經(jīng)過哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上宇宙是在不斷膨脹著的并且這一觀測(cè)結(jié)果完全與引入“宇宙常數(shù)”之前的引力方程的計(jì)算結(jié)果相符合，愛因斯坦得知“實(shí)際上的宇宙是在膨脹著的”這個(gè)消息后非常后悔，因此他認(rèn)為：“引入宇宙常數(shù)是我這一生所犯的最大錯(cuò)誤！”此后那個(gè)“宇宙常數(shù)”便被人們所遺忘，后來的一次天文探測(cè)表示那個(gè)宇宙常數(shù)不但不等于零而且趨向無窮大，這就預(yù)示著宇宙中存在著某種“巨大的東西”，此后這個(gè)“宇宙常數(shù)”被賦予“暗能量” 的含義。近年來的科學(xué)家們一再通過各種的觀測(cè)和計(jì)算證實(shí)，暗能量在宇宙中的確約占到73％暗物質(zhì)約占到23％普通物質(zhì)僅占到4％，這可是一個(gè)驚人的數(shù)字和消息，這將預(yù)示著我們現(xiàn)在看到的宇宙、認(rèn)識(shí)到的宇宙只占整個(gè)宇宙的4%的比例，而占96%(57年諾貝爾獎(jiǎng)得主李政道先生甚至還認(rèn)為是99%以上)的東西竟然是不為我們所知道的。關(guān)于暗物質(zhì)和暗能量的客觀存在性57年諾貝爾獎(jiǎng)得主李政道先生在他所著的《物理學(xué)的挑戰(zhàn)》中已經(jīng)詳細(xì)而全面的論證了在這里限于篇幅，我不在作論述。
在新世紀(jì)之初美國國家研究委員會(huì)發(fā)布一份題為《建立夸克與宇宙的聯(lián)系：新世紀(jì)11大科學(xué)問題》的研究報(bào)告，科學(xué)家們?cè)趫?bào)告中認(rèn)為，暗物質(zhì)和暗能量應(yīng)該是未來幾十年天文學(xué)研究的重中之重，“暗物質(zhì)”的本質(zhì)問題和“暗能量”的性質(zhì)問題在報(bào)告所列出的11個(gè)大問題中分列為第一、第二位。
美國航天局在軌道中運(yùn)行的威爾金森微波儀探測(cè)衛(wèi)星收集到的材料也證明超新星在發(fā)生同樣的變化。這些變化的含義的確令科學(xué)家忐忑不安，因?yàn)檫@將預(yù)示著愛因斯坦、霍金等理論家可能都錯(cuò)了，影響并決定整個(gè)宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力，而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物質(zhì)”。
所以有人認(rèn)為，暗能量在宇宙中更像是一種背景和一種“超導(dǎo)體”，它就像是空氣相對(duì)于人類或者是大海相對(duì)于魚兒一樣，故爾在宇宙物理學(xué)上它的確表現(xiàn)得更像一個(gè)真空，因此也有人把“暗能量”稱之為“真空能”。真空是不是就是“暗能量”？“暗能量”是不是就是“真空能”呢？如果真空真是“暗能量”那么就應(yīng)該具備一切能量的基本屬性和基本特征——力量?？梢娬婵帐欠窬邆淞Φ奶卣骱土Φ膶傩砸簿统蔀?#8220;暗能量”成為真空的前提條件。
綜上所述我們可以看出，所有矛盾的焦點(diǎn)都集中在真空是否具備力的屬性這個(gè)問題上，如果真空一旦被證明具備力的屬性，那么“真空力”就成為獨(dú)立于萬有引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力之后在自然界中普遍存在著的第五種自然作用力即“第五種力”；那么真空就是物理學(xué)史上已經(jīng)被拋棄的“以太”；而“以太”其實(shí)就是真空的某一種效應(yīng)；那么真空也就是那個(gè)占整個(gè)宇宙96%以上的份額并控制著整個(gè)宇宙的神秘能量——“暗能量”，這一切的一切就因?yàn)檎婵沼辛Χ優(yōu)楝F(xiàn)實(shí)、變?yōu)榭芍?、?縱的東西。故爾真空是否具備力的屬性也就成為本文的核心中的焦點(diǎn)，那么真空是否真實(shí)或者真正具備力的屬性呢？如果具有那么又該如何讓它表現(xiàn)、顯露出來呢？
眾所周知，物理學(xué)其本身就是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，從伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)到邁克耳遜——莫雷實(shí)驗(yàn)，再到目前高科技下的各種高能物理粒子實(shí)驗(yàn)無不說明實(shí)驗(yàn)方法在物理學(xué)中占據(jù)著非常重要的地位并發(fā)揮著重要的作用。每一個(gè)新理論的背后都必須有著堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)作為后盾，每一個(gè)新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的出現(xiàn)也必將引發(fā)一套全新的理論體系，所以實(shí)驗(yàn)是尋找并證實(shí)真空力的屬性的主要方法和途徑。
另一方面，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質(zhì)脫耦之后，已經(jīng)成團(tuán)的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì)，進(jìn)而形成了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此這需要一個(gè)初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)，由于它是無熱運(yùn)動(dòng)的非相對(duì)論性粒子因此得名。
在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最后一件重要的事情。對(duì)于先前提到的小擾動(dòng)（漲落），為了預(yù)言其在不同波長上的引力效應(yīng)，小擾動(dòng)譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應(yīng)該是標(biāo)度無關(guān)的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的。暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動(dòng)力學(xué)出發(fā)機(jī)制來形成這樣一個(gè)標(biāo)度無關(guān)的小擾動(dòng)譜（其譜指數(shù)n=1）。WMAP的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言，其觀測(cè)到的結(jié)果為n=0.99±0.04。
但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙。現(xiàn)在已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞。但是它們對(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者，由其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測(cè)器和天文觀測(cè)來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。
最被看好的暗物質(zhì)候選者
長久以來，最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說中的基本粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特性。壽命長意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當(dāng)，甚至更長。溫度低意味著在脫耦時(shí)它們是非相對(duì)論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團(tuán)。由于成團(tuán)過程發(fā)生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的范圍內(nèi)，而且這一視界相對(duì)現(xiàn)在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊或者暗物質(zhì)暈比銀河系的尺度要小得多，質(zhì)量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質(zhì)暈會(huì)合并形成較大尺度的結(jié)構(gòu)，而這些較大尺度的結(jié)構(gòu)之后又會(huì)合并形成更大尺度的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果就是形成不同體積和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)體系，定性上這是與觀測(cè)相一致的。相反的，對(duì)于相對(duì)論性粒子，例如中微子，在物質(zhì)引力成團(tuán)的時(shí)期由于其運(yùn)動(dòng)速度過快而無法形成我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此中微子對(duì)暗物質(zhì)質(zhì)量密度的貢獻(xiàn)是可以忽略的。在太陽中微子實(shí)驗(yàn)中對(duì)中微子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果也支持了這一點(diǎn)。無碰撞指的是暗物質(zhì)粒子（與暗物質(zhì)和普通物質(zhì)）的相互作用截面在暗物質(zhì)暈中小的可以忽略不計(jì)。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對(duì)方，并且在暗物質(zhì)暈中以一個(gè)較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運(yùn)動(dòng)。
低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)（CCDM）被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結(jié)構(gòu)形成數(shù)值模擬結(jié)果與觀測(cè)相一致。第二，作為一個(gè)特殊的亞類，弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱，那么在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處于熱平衡的。之后，由于湮滅它們開始脫離平衡。根據(jù)其相互作用截面估計(jì)，這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測(cè)相符。CCDM被看好的第三個(gè)原因是，在一些理論模型中預(yù)言了一些非常有吸引力的候選粒子。
其中一個(gè)候選者就是中性子（neutralino），一種超對(duì)稱模型中提出的粒子。超對(duì)稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ)，它要求每一個(gè)已知的費(fèi)米子都要有一個(gè)伴隨的玻色子（尚未觀測(cè)到），同時(shí)每一個(gè)玻色子也要有一個(gè)伴隨的費(fèi)米子。如果超對(duì)稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同的質(zhì)量。但是由于在宇宙的早期超對(duì)稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺，于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化。而且，大部分超對(duì)稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對(duì)稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級(jí)）由于其自身的對(duì)稱性避免了衰變的發(fā)生。在最簡單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質(zhì)是由中性子組成的，那么當(dāng)?shù)厍虼┻^太陽附近的暗物質(zhì)時(shí)，地下的探測(cè)器就能探測(cè)到這些粒子。另外有一點(diǎn)必須注意，這一探測(cè)并不能說明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的。現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還無法確定WIMP究竟是占了暗物質(zhì)的大部分還是僅僅只占一小部分。
另一個(gè)候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質(zhì)量在1μeV的數(shù)量級(jí)上），它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處于熱平衡狀態(tài)，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中，軸子處于低溫玻色子凝聚狀態(tài)，現(xiàn)在已經(jīng)建造了軸子探測(cè)器，探測(cè)工作也正在進(jìn)行。
CCDM存在的問題
由于綜合了CCDM，標(biāo)準(zhǔn)模型在數(shù)學(xué)上是特殊的，盡管其中的一些參數(shù)至今還沒有被精確的測(cè)定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗(yàn)這一理論。現(xiàn)在，能觀測(cè)到的最大尺度是CMB（上千個(gè)Mpc）。CMB的觀測(cè)顯示了原初的能量和物質(zhì)分布，同時(shí)觀測(cè)也顯示這一分布幾近均勻而沒有結(jié)構(gòu)。下一個(gè)尺度是星系的分布，從幾個(gè)Mpc到近1000個(gè)Mpc。在這些尺度上，理論和觀測(cè)符合的很好，這也使得天文學(xué)家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。
然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出現(xiàn)了不一致。幾年前這種不一致性就顯現(xiàn)出來了，而且它的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了"現(xiàn)行的理論是否正確"這一至關(guān)重要的問題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由于我們對(duì)暗物質(zhì)特性假設(shè)不當(dāng)所造成的，而不太可能是標(biāo)準(zhǔn)模型本身固有的問題。首先，對(duì)于大尺度結(jié)構(gòu)，引力是占主導(dǎo)的，因此所有的計(jì)算都是基于牛頓和愛因斯坦的引力定律進(jìn)行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質(zhì)的流體力學(xué)作用就必須被包括進(jìn)去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對(duì)此進(jìn)行量化和計(jì)算。但是在星系的尺度上，普通物質(zhì)和輻射間的相互作用卻極為復(fù)雜。在小尺度上的以下幾個(gè)主要問題。亞結(jié)構(gòu)可能并沒有CCDM數(shù)值模擬預(yù)言的那樣普遍。暗物質(zhì)暈的數(shù)量基本上和它的質(zhì)量成反比，因此應(yīng)該能觀測(cè)到許多的矮星系以及由小暗物質(zhì)暈造成的引力透鏡效應(yīng)，但是目前的觀測(cè)結(jié)果并沒有證實(shí)這一點(diǎn)。而且那些環(huán)繞銀河系或者其他星系的暗物質(zhì)，當(dāng)它們合并入星系之后會(huì)使原先較薄的星系盤變得比現(xiàn)在觀測(cè)到得更厚。
暗物質(zhì)暈的密度分布應(yīng)該在核區(qū)出現(xiàn)陡增，也就是說隨著到中心距離的減小，其密度應(yīng)該急劇升高，但是這與我們觀測(cè)到的許多自引力系統(tǒng)的中心區(qū)域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測(cè)到的，星系團(tuán)的核心密度就要低于由大質(zhì)量暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ陀?jì)算出來的結(jié)果。普通旋渦星系其核心區(qū)域的暗物質(zhì)比預(yù)期的就更少了，同樣的情況也出現(xiàn)在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系，則具有與理論形成鮮明對(duì)比的均勻密度中心。流體動(dòng)力學(xué)模擬出來的星系盤其尺度和角動(dòng)量都小于觀測(cè)到的結(jié)果。在許多高表面亮度星系中都呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu)，如果這一結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，就要求其核心的密度要小于預(yù)期的值。
可以想象，解決這些日益增多的問題將取決于一些復(fù)雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規(guī)的解釋已經(jīng)被提出來用以解釋先前提到的結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象。但是，總體上看，現(xiàn)在的觀測(cè)證據(jù)顯示，從巨型的星系團(tuán)（質(zhì)量大于1015個(gè)太陽質(zhì)量）到最小的矮星系（質(zhì)量小于109個(gè)太陽質(zhì)量）都存在著理論預(yù)言的高密度和觀測(cè)到的低密度之間的矛盾。
暗能量
暗能量是什么，它的存在意味著什么？科學(xué)家才剛開始嘗試回答這些問題。暗能量對(duì)宇宙整體的作用泄漏了它的行蹤，而人們逐漸意識(shí)到，暗能量不僅對(duì)整個(gè)宇宙有影響，似乎也能操控宇宙的居民，指引恒星、星系和星系團(tuán)（galaxy cluster）的演化進(jìn)程。雖然以前并沒有意識(shí)到暗能量對(duì)這些結(jié)構(gòu)的影響，但天文學(xué)家們幾十年來一直在研究它們的演化過程。
諷刺的是，暗能量的無處不在，反而讓人們很難意識(shí)到它的存在。暗能量與物質(zhì)不同，它是均勻分布的，不會(huì)在某個(gè)地方聚集成團(tuán)。不論是在你家的廚房，還是在星際空間，暗能量的密度都完全一樣，約為10-26千克/立方米，相當(dāng)于幾個(gè)氫原子的質(zhì)量。我們太陽系中所有的暗能量加起來，與一顆小行星的質(zhì)量差不多，在行星的“舞蹈”中，幾乎起不了作用。只有在巨大的空間尺度上和時(shí)間跨度上，才能體現(xiàn)出暗能量的影響力。
從美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）開始，觀測(cè)天文學(xué)家就知道，除了最近的星系，所有星系都以極高的速度飛奔而去，離我們?cè)絹碓竭h(yuǎn)。這個(gè)速度與距離成正比：離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，退行（recession）速度就越大。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙的大小是固定不變的，只是星系正在遠(yuǎn)離我們，但觀測(cè)結(jié)果推翻了這種觀點(diǎn)。實(shí)際上，不斷拉伸的是空間結(jié)構(gòu)本身，星系只是被裹挾在其中，離我們?cè)絹碓竭h(yuǎn)。另一個(gè)問題隨之而來：膨脹的速率如何隨時(shí)間演化。幾十年來，科學(xué)家一直在努力回答這個(gè)問題。他們?cè)?jīng)推測(cè)，宇宙膨脹會(huì)越來越慢，因?yàn)樾窍抵g的引力應(yīng)該會(huì)阻礙向外的膨脹。(全文請(qǐng)見《環(huán)球科學(xué)》第3期)
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