暗物质与暗能量

在天文观测时，有一种“造父变星”是非常重要的。它的作用就像一支标准的“烛光”，通过测算和比较，可以确定它附近恒星与地球之间的距离。但是，如果这种“造父变星”太远，对它的辨识就有困难了，这就不能用于确定恒星（系）与地球之间的距离了。这样，天文观测者就要另寻“它星”了。在宇宙中，恒星演化到晚期，超新星往往是它的归宿。在超新星中有一种Ia型超新星，它可以承当测量距离的标准“烛光”的角色。获得2011年诺贝尔物理奖的两个小组正是通过辨识和测量Ia型超新星来确定恒星之间的距离变化。他们的观测支持宇宙正在膨胀着和宇宙的膨胀在加速的看法。

为什么宇宙的膨胀在加速呢？对此，目前尚不清楚，科学界的解释也不一致。有些科学家喜欢“向后看”，就把爱因斯坦提出的宇宙方程中的“宇宙项”或“宇宙常数”找回来（这已不是第一次了）。所谓“宇宙方程”是科学家研究宇宙学的基本方程，就像在牛顿的天体研究中的万有引力定律一样。在万有引力定律的方程中有一个万有引力常数，而宇宙方程中也有一个“宇宙常数”。

所谓“宇宙常数”的意思是什么呢？现在的解释大体上是体现着“暗能量”的作用，它就像“暗物质”一样是无法观测到的，但却存在着引力效应。虽然“暗能量”只是一些假设，但却能解释现象。

具体来说，“可见的”物质由电子和质子构成，它们可以释放出电磁信号，所以它们是“可见的”。“暗物质”则是电中性的，它们的质量不为零，性质很稳定，这种“暗物质”粒子的寿命很长，甚至比现在的宇宙寿命还要长。对于“暗能量”的认识却很有限，大多是猜测性的。简单地讲，由于在宇宙膨胀之初，宇宙的空间较小，宇宙中存在的“万有斥力”不明显，而“万有引力”很明显；在宇宙不断膨胀之后，今天的宇宙在大尺度下显示出了“万有斥力”。这种“万有斥力”就是“暗能量”的表现。“暗能量”不仅与“万有斥力”相关，而且还可用“宇宙常数”来表示，“暗能量”的密度正比于“宇宙常数”。正是由于“宇宙常数”太小，长期以来，“暗能量”的效应很小。也正是今天的观测使科学家能估计“宇宙常数”的大小，进而再估计“暗能量”的大小。随着宇宙膨胀，“暗能量”还会增大，但“暗物质”和“可见物质”却不变。也许，随着研究的不断深入，对“暗能量”的“暗”可以认识的更清楚，或许不再“暗”了。

尽管新的研究结果表明，宇宙膨胀是确实的，但是疑云依然存在。不过，就像爱因斯坦和波兰物理学家英费尔德曾说：

提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上的或实验上的一个技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。

从20世纪中叶以来，宇宙膨胀模型是宇宙学研究的重要成果。从这个不断得到改进的理论来看，宇宙从时间和空间上是有限的，光的传播速度是有限的，光要行遍宇宙的空间是不可能的。另外，如果从光的红移现象来看，宇宙是膨胀的，光谱向红端移动，光在一个膨胀着的宇宙中行进所造成的红移效应，使光谱已移动到微波的波段，也就是在宇宙中形成了微波背景辐射。可见，“从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力”的。在科学的道路上，是没有平坦的大路可走的，只有在那崎岖小路上攀登的不畏劳苦的人们，才有希望到达光辉的顶点。

CMB实验最基本的观测量是背景辐射的强度，显示的是普朗克卫星观测到的最新的CMB温度涨落各向异性的功率谱。CMB温度涨落功率谱和宇宙学模型的众多参数有关联，通过分析CMB温度涨落功率谱，能以极高精度测量各类宇宙学模型的参数，严格限制各类宇宙学模型，这是普朗克数据公布的宇宙学部分的主要科学结果。

CMB观测的背景辐射来自于宇宙的极早期，所包含的信息对于研究暴涨模型是非常重要的。在与部分暴涨模型的理论预期进行比较后，可以看出部分暴涨模型已经被目前的数据所排除，还有一些模型也可以给出很好的限制。

今天的宇宙包含了很多的物质组分，比如冷暗物质、暗能量、普通重子物质和辐射等。随着宇宙的膨胀，辐射物质在今天宇宙中所占比重已经非常得小，可以忽略不计。暴涨模型预言今天的宇宙是非常平坦的。利用普朗克卫星的数据，说明今天的宇宙是非常平坦的，这与暴涨模型的预言符合得很好。

在平坦宇宙的假设下，普朗克卫星测得的数据已经在非常高的精度上证明了冷暗物质和暗能量的存在。宇宙各物质组分的结果和之前WMAP卫星数据得到的结果有一定的出入，如图中所示，暗能量的组分有一定程度的减少，而物质组分有所增加，主要原因来自于对今天哈勃常数的测量存在一定的偏差。普朗克卫星之前，WMAP卫星对于哈勃常数的测量为H0＝67.8～72.2，而现在普朗克卫星给出的测量结果是H0＝66.0～78.8，正是这一改变导致了宇宙中各物质组分的比重发生了一定的修改。这一结果和其他宇宙学观测还存在着一定的差异，还需要进一步的研究。

普朗克卫星数据前后宇宙各物质组分比重的结果比较

由于普朗克卫星数据分析结果显示宇宙中的暗能量比原先认为的更少，而可视物质的组分变得更高一些，使得宇宙的膨胀速度要比我们之前原先认为的更慢一些，宇宙年龄则比原先的计算结果更古老，达到138.13±0.58亿年，这比此前WMAP卫星数据给出的约137亿年早了大约1亿年。

中微子质量对于CMB温度涨落会有一定的影响，特别是小尺度上，不过影响并不明显，所以利用CMB数据对中微子质量和的限制比较弱。测量结果是与标准模型的预言相符合，排除了第四代中微子的存在。

2003年，由斯隆（Sloan）基金会提供基金，以资助一项国际性的研究项目——斯隆数字太空勘测（简称为SDSS）。有众多单位参加研究，科学家从大量的观测数据入手，他们得到一些重要的结果。到2003年年底，《科学》杂志将这一研究成果选入当年的科技成果，并被定为第一。

虽然暗物质的存在已有定论，但暗物质是什么，仍然没有定论。如果中微子成为暗物质的成分之一，而且确定中微子质量并非是像过去的看法（质量是零）。中微子的质量是不为零的，但宇宙中中微子的总质量的数据仍然是很小的。今天的研究表明，暗物质粒子的身份尚未能确定。这也吸引了众多物理学家在加速器中去寻找暗物质的“身影”。

暗能量是近年来在宇宙学中的研究课题之一，还是相当热门的课题。关于暗能量的证据，观测上得到了两个。一个是对于遥远超新星的观测，科学家发现，宇宙的膨胀并不是像哈勃观测的结果——匀速的膨胀，而是加速的膨胀。从爱因斯坦的引力场方程来分析，这种加速的膨胀说明，在宇宙中存在着一种“负压强”的现象，即所谓的“暗能量”现象。另一个证据是，借助对宇宙背景辐射的测量，可以精确地测量宇宙的总密度。如果将普通物质与暗物质加起来，只占到宇宙质量的1/3，还差2/3呢！这种“短缺”的部分就被称为“暗能量”。暗能量的基本特征是具有“负压强”。这种“负压强”在宇宙空间中几乎是均匀分布的，或者是不“结团”的。从WMAP的数据看，暗能量约占宇宙物质的73%，从Planck卫星的数据看，暗能量约占宇宙物质的68%，可见具有“负压强”的暗能量主宰着宇宙。

对于暗能量，除了需要进行更大量的和更精密的观测，还要发挥人类的创造性，提出新的理论，以说明宇宙膨胀的现象。

暗能量的发现向物理学家提出了巨大的挑战，当然也使物理学家面临着巨大的机遇，物理学研究不再局限于宏观的世界和微观的世界，而是要扩展到宇观的世界。也许这些新的现象可以实现物理学理论真正的统一，引发更大的物理学革命。