暗物质和暗能量

暗物质和暗能量

即使竭尽所有的知识，宇宙及其宝藏至今仍对我们保有无数的神秘。我们已经列举了一份它所包含的各种能量和质量的清单。理解的关键在于宇宙的“形状”。空间和时间很像一个四维的橡皮（确实很难想象），它可以以各种方式弯曲、变形，甚至折叠，取决于在一个巨大的单位体积中所拥有的平均物质总量。形状非常重要，因为宇宙年龄的计算与它直接有关。“宇宙学”的研究者们可以计算出为了使我们的时空变得“平直”（只有在这种情况下通常的欧几里得几何才能继续有效）所需要的平均质量密度（已将能量换算成了等效质量）。

然而，即使将所有的恒星及空间中的相关物质累加起来，所得的总量仍然只是所需要量的1%。大爆炸理论推导出比此更多的质量，这个理论也曾对原初氢原子如何形成各种轻元素做出了正确的预言。其中，即使不是大多数，也有相当多的物质看起来是以星系和星系之间，甚至星系团和星系团之间的炽热气体形式而存在，可以用X射线望远镜观察到它们。它们中有些是星系形成的过程中残留下来的，也有很多是由于恒星爆炸而从星系团的成员中被抛出来的。综合各种预测和观测，得到的数值增大到了接近于平直宇宙需要量的5%。

图1.5　哈勃“极深空场”图像在天空中一块大小仅为二十分之一度（相当于月球角大小的十分之一）的针头大的区域中揭示了数千个星系。少数几个大而较亮的星系相对较近，而最暗的星系已经远在数十亿光年之外。它们距离我们越远，远离我们的速度也就越快，这就是宇宙源于“大爆炸”的第一个重要证据。这样的星系看起来已经数量惊人，但是它们的总量却不到这个由质量和能量组成的宇宙总量的1%。影像来自:NASA，ESA，亚利桑那大学的R.Windhorst，加州理工学院斯必泽科学中心的H.Yan。

接着，真正的神秘降临到我们面前。在银河系中，恒星们在引力作用下围绕银心运动的速度，看起来似乎太快了。星系团中的星系们，在引力相互作用下围绕其星系团中心运动的速度，同样高于理论预期。一定存在着某种完全看不见的东西，却能产生足够大的引力，使物体产生加速运动。这就是暗物质。它可能环绕着星系，也可能弥漫于星系团之中。我们不知道它究竟是由什么组成的。虽然，科学家已经提出了多种猜测，但目前仍没有一种能够得到证明。把能够提供暗物质引力所需的质量都加起来，科学家们又得到了20%，与前面已知的总量加起来已经达到了平直宇宙所需的四分之一。但是，仍然不够。

为了解决这个问题（同时又增加了更多的神秘），需要更深入地研究宇宙的膨胀。现代的望远镜、成像仪，以及已知的各种知识，使得宇宙学家可以测量几十亿光年之外的膨胀速率，这就相当于让我们回溯到久远的过去。我们可以预期整个膨胀速率会逐渐减慢，因为宇宙的总引力应该会将它们拉回来。事实上，速度和红移看起来的确并非直接成正比。然而，与此减速的预期相反，观测却发现这个膨胀在加速！宇宙膨胀正在变得越来越快。加速是需要能量的，如果将其转化成等效的质量，我们会发现那就是缺失了的75%。在误差范围之内，宇宙真是平直的！但是我们仍然不知道这些能量从哪里来，就像我们完全不了解暗物质究竟是什么一样。所以与暗物质一样，我们将它们称为暗能量。它们的存在意味着我们关于引力的概念可能出现了严重的问题。

我们几乎已经接近于回溯到宇宙的原始时代，当我们第一次看到那些星星时，会很惊奇它们究竟是什么。更奇怪的可能还不是这些恒星，而是环绕于它们周围的物质，这些物质在创造恒星的过程中发挥了重要的作用。我们在好奇中探索。当我们已竭尽全力来理解它们，从行星到星系，现在该回过头来思考一下它们对我们会有什么样的影响。