暗物质暗能量详细讲解（暗物质与暗能量的探索）

正文：

一、关于暗物质

暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的谜题，它代表了宇宙中90％以上的物质含量，而我们可见的世界只占宇宙物质的10％不到。暗物质无法直接观测，却能干扰星体发出的光波或引力等，其存在能被明显感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但还没有得到足够的验证。

美国约翰斯·霍普金斯大学下属的太空望远镜研究所，借助3年前安装在“哈勃”太空望远镜上的“先进测绘照相机”，观察到更远处星系发出的光在两个星系簇中的暗物质干扰下产生的引力透镜现象，进而通过计算机模拟，得到了暗物质的分布图。这两个正在诞生中的星系簇位于南部天穹中，距地球约70亿光年，各拥有约400个星系。

研究人员将这一成果发表在10日出版的《天体物理杂志》上。论文第一作者、韩裔助理研究员池溟国博士说，他们得到的图像清楚地显示出，我们可见的物质(即观测到的两个星系簇)是在暗物质的网络包围中，处于暗物质最密集的地方，就好比海浪顶端的泡沫。他们认为，这支持了暗物质和可见物质会在引力作用下聚集到一起的猜想，即暗物质集中的地方会吸引可见物质，从而帮助恒星、星系和星系簇的形成。分布图还显示暗物质是聚成一簇簇地密集存在。研究人员据此认为，这验证了暗物质粒子是“非碰撞粒子”的假设，即暗物质粒子如果碰到一起，不会像分子、原子等经典粒子那样发生反弹，而会“若无其事”地继续原先的运动。他们解释说，如果暗物质粒子彼此发生碰撞，那么它们在频繁碰撞后就会分布比较均衡，而不是密集成簇。

简单一点说，暗物质无法直接利用光学手段被观测到，但由于其强大的引力（因为其质量很大）会对周围的天体产生影响，表现在行星的运转轨道的变化等。

ABC澳洲科技网2006年8月22日有一篇报道，天文学家们宣布首次发现有关暗物质存在的直接证据，但科学家们对于暗物质这一令人难以琢磨的物质有的也只是一个模糊的概念，对于其具体构成还不是十分明了。此次的观测结果来自于对已知宇宙中最剧烈的一次碰撞后的气体以及其中的恒星的测量，两个星系团在被称为子弹气团的物质中发生剧烈碰撞（两个星系团相向高速运动，由于构成星系团物质主体的炽热气体相互排斥，于是形成了子弹状气团），使得来自各自星系团的恒星以及暗物质互相撕裂，使得更广大区域内分布着的星际气体也发生碰撞并减速。

天体物理学家们知道，可见的恒星始终同暗物质在一起，因为天体物理学家们通过测量光线在这一区域的弯曲情况来对恒星所处的区域的质量进行了分析。根据爱因斯坦广义相对论原理，光线在引力场中会发生弯曲，光线弯曲的越厉害，说明这一区域中的暗物质产生的引力场越强，从而也说明了其中的暗物质越多。在这种情况下，碰撞的星系团中的恒星区域其所拥有的质量要比可见恒星或星际气体的质量大的多，这其中的唯一解释就是暗物质的存在了。

二、关于暗能量

暗能量是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。

爱因斯坦的广义相对论预测，宇宙中能量的密度与膨胀速度直接相关。随着宇宙膨胀，这种能量的密度随之降低，宇宙膨胀应慢下来。但科学家在1990年代晚期发现，各星系不仅在互相后退，而且以加速度后退。人们用暗能量来解释这种反重力现象。无人知道这种力是来自宇宙内部还是外界的影响。

有人提出一种新的理论：将暗能量与亚原子粒子中微子联系起来。中微子很少与其他物质发生作用，但最近发现它有少量的质量。它们是在太阳和其他恒星中产生的，也曾是大爆炸的产物。它们不断地穿过物体，甚至地球。常规理论认为，中微子质量不会随时间发生变化，而新理论认为，在一定空间情况下，中微子质量会增加。在早期宇宙中，中微子很密集，现在分得很开，因而质量也增加了。随着它们的分开，其间的张力也在积聚。不断增加的张力就是著名的暗能量。新理论的提出者将这种张力取名为“加速子”。就象带电粒子产生磁场一样，加速子产生加速子场。大爆炸遗留下的中微子在宇宙中均匀地产生加速子场，这个场中的能量是宇宙膨胀的源泉。

三、暗物质与暗能量的联系

1970年代，物理学家为解释星系的运动提出，一类看不见的粒子存在于星系周围，这类粒子随后被称为“暗物质”。根据天文观察资料，科学家们估计宇宙中暗物质有常规物质的10倍之多。迄今科学家们已做了大量实验来搜寻这类粒子存在的证据。

1998年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。

科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来。

对于暗物质和暗能量，国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒的模型是把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。

谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式。这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂。在此，“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。

谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”。“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。

对于暗物质和暗能量的关系，最近科学家对它有这样的描述：“不知道是什么，对这种物质的相对数量，进行了细微的调整，使二者在量上非常近似，加起来刚好适合。这不是巧合，二者之间一定有某种联系。”如果真是这样的话，宇宙将保持它的有序状态，继续平稳地运行下去！

四、与人类的关系

著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道在清华大学参加纪念中国博士后流动站成立二十周年的庆祝活动时，曾向与会的千余名博士后阐述他对暗物质和暗能量的看法。“21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。”

对于暗物质和暗能量，李政道提出了“天外有天”的观点，“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。

对于人类来说，这些是我们尚未探明的东西，但是它们却真切的存在与宇宙中并起着巨大的作用。

正是宇宙中有物质、暗物质和暗能量的存在，才使宇宙保持着有序状态。

由于可见宇宙的可见物质只占总量的4%，所以暗物质和暗能量的存在对保持宇宙的有序状态至关重要。假若暗能量的值保持不变，那么它将总是具有斥力，并推动宇宙不断地加速膨胀。如果没有暗物质的存在，星系将很快就会解体，高速运动的太阳，早已飞出银河系了。它对宇宙的膨账起着制动和刹车的作用。