暗物質(zhì)和暗能量

即使竭盡所有的知識，宇宙及其寶藏至今仍對我們保有無數(shù)的神秘。我們已經(jīng)列舉了一份它所包含的各種能量和質(zhì)量的清單。理解的關(guān)鍵在于宇宙的“形狀”。空間和時間很像一個四維的橡皮（確實很難想象），它可以以各種方式彎曲、變形，甚至折疊，取決于在一個巨大的單位體積中所擁有的平均物質(zhì)總量。形狀非常重要，因為宇宙年齡的計算與它直接有關(guān)?！坝钪鎸W(xué)”的研究者們可以計算出為了使我們的時空變得“平直”（只有在這種情況下通常的歐幾里得幾何才能繼續(xù)有效）所需要的平均質(zhì)量密度（已將能量換算成了等效質(zhì)量）。

然而，即使將所有的恒星及空間中的相關(guān)物質(zhì)累加起來，所得的總量仍然只是所需要量的1%。大爆炸理論推導(dǎo)出比此更多的質(zhì)量，這個理論也曾對原初氫原子如何形成各種輕元素做出了正確的預(yù)言。其中，即使不是大多數(shù)，也有相當(dāng)多的物質(zhì)看起來是以星系和星系之間，甚至星系團和星系團之間的熾熱氣體形式而存在，可以用X射線望遠鏡觀察到它們。它們中有些是星系形成的過程中殘留下來的，也有很多是由于恒星爆炸而從星系團的成員中被拋出來的。綜合各種預(yù)測和觀測，得到的數(shù)值增大到了接近于平直宇宙需要量的5%。

圖1.5　哈勃“極深空場”圖像在天空中一塊大小僅為二十分之一度（相當(dāng)于月球角大小的十分之一）的針頭大的區(qū)域中揭示了數(shù)千個星系。少數(shù)幾個大而較亮的星系相對較近，而最暗的星系已經(jīng)遠在數(shù)十億光年之外。它們距離我們越遠，遠離我們的速度也就越快，這就是宇宙源于“大爆炸”的第一個重要證據(jù)。這樣的星系看起來已經(jīng)數(shù)量驚人，但是它們的總量卻不到這個由質(zhì)量和能量組成的宇宙總量的1%。影像來自:NASA，ESA，亞利桑那大學(xué)的R.Windhorst，加州理工學(xué)院斯必澤科學(xué)中心的H.Yan。

接著，真正的神秘降臨到我們面前。在銀河系中，恒星們在引力作用下圍繞銀心運動的速度，看起來似乎太快了。星系團中的星系們，在引力相互作用下圍繞其星系團中心運動的速度，同樣高于理論預(yù)期。一定存在著某種完全看不見的東西，卻能產(chǎn)生足夠大的引力，使物體產(chǎn)生加速運動。這就是暗物質(zhì)。它可能環(huán)繞著星系，也可能彌漫于星系團之中。我們不知道它究竟是由什么組成的。雖然，科學(xué)家已經(jīng)提出了多種猜測，但目前仍沒有一種能夠得到證明。把能夠提供暗物質(zhì)引力所需的質(zhì)量都加起來，科學(xué)家們又得到了20%，與前面已知的總量加起來已經(jīng)達到了平直宇宙所需的四分之一。但是，仍然不夠。

為了解決這個問題（同時又增加了更多的神秘），需要更深入地研究宇宙的膨脹?，F(xiàn)代的望遠鏡、成像儀，以及已知的各種知識，使得宇宙學(xué)家可以測量幾十億光年之外的膨脹速率，這就相當(dāng)于讓我們回溯到久遠的過去。我們可以預(yù)期整個膨脹速率會逐漸減慢，因為宇宙的總引力應(yīng)該會將它們拉回來。事實上，速度和紅移看起來的確并非直接成正比。然而，與此減速的預(yù)期相反，觀測卻發(fā)現(xiàn)這個膨脹在加速！宇宙膨脹正在變得越來越快。加速是需要能量的，如果將其轉(zhuǎn)化成等效的質(zhì)量，我們會發(fā)現(xiàn)那就是缺失了的75%。在誤差范圍之內(nèi)，宇宙真是平直的！但是我們?nèi)匀徊恢肋@些能量從哪里來，就像我們完全不了解暗物質(zhì)究竟是什么一樣。所以與暗物質(zhì)一樣，我們將它們稱為暗能量。它們的存在意味著我們關(guān)于引力的概念可能出現(xiàn)了嚴重的問題。

我們幾乎已經(jīng)接近于回溯到宇宙的原始時代，當(dāng)我們第一次看到那些星星時，會很驚奇它們究竟是什么。更奇怪的可能還不是這些恒星，而是環(huán)繞于它們周圍的物質(zhì)，這些物質(zhì)在創(chuàng)造恒星的過程中發(fā)揮了重要的作用。我們在好奇中探索。當(dāng)我們已竭盡全力來理解它們，從行星到星系，現(xiàn)在該回過頭來思考一下它們對我們會有什么樣的影響。