天体物理奇景：暗物质与暗能量

李庆康

21世纪的今天，许多科学重大问题已基本解决，但人类对宇宙的认知仍是未知远多于已知。譬如暗物质和暗能量，它俩就像笼罩于21世纪物理学晴空的“两朵乌云”。

暗物质与暗能量是什么？它们是如何形成与演化的？时至今日，这些仍是科学难题。虽然国内外有大量的研究想破解它们，但基本上都未有定论，这也预示着物理学需要一次重大的革命！

物理学天空的“两朵乌云”

天体物理学是利用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的学科。因此，天体物理学本质上是物理学的一个分支，但从其研究对象来看更是天文学的一部分。因此，它是将天文学和物理学完美结合的交叉学科。

现代物理学的每次重大进步都对天体物理学起了巨大推动作用;同时，天体所具有的极端条件和特殊环境又为物理学提供了极好的天然实验室。千百年来天文学的发展，充分印证了中国的古老谚语：“天外有天。”

1900年开尔文爵士把“黑体辐射实验”和“迈克尔逊-莫雷实验”的结果，喻为19世纪末经典物理学美丽晴空中的“两朵乌云”。正是这“两朵乌云”为物理学带来了革命性巨变。20世纪上半叶相对论和量子论的建立把物理学推向前所未有的高度。伴随着物理学的巨大进展和天文观测技术的极大改善，人类对宇宙的认知已是今非昔比。

1932年

奥尔特（Oort Jan Hendrik，荷兰天体物理学家）指出，要解释银河系中恒星的轨道速度，需假定太阳附近存在着暗物质。

1933年

兹威基（Fritz Zwicky，瑞士天文学家）观测室女星系团中的运动，认为星系团中存在大量暗物质。

1939年

巴布科克（Horace W. Babcock，美国天文学家）得到的星系旋转曲线是暗物质存在的强有力的证据，但很遗憾他未将它归因于暗物质。

20世纪60-70年代

鲁宾（Vera Rubin，美国天文学家）和福特（Kent Ford，美国天文学家），首先利用星系旋转曲线这一强有力的证据深入研究了暗物质。

后来，很多观测结果表明：宇宙中不仅存在暗物质，而且是普通物质的若干倍。无论暗物质在宇宙中什么地方集结，普通物质都会如影随形。普通物质在暗物质压倒性的引力作用下，会无可抗拒地被吸引过去。这些普通物质形成了恒星、星系等。

物理之眼看“暗物质”

暗物质是什么？暗物质是如何形成的？暗物质是如何演化的？目前，这些问题把所有科学家都难住了。

如要彻底回答第一个问题，必须直接找到暗物质才能知道它是什么。根据已有的观测证据，科学家指出暗物质是一种在宇宙年龄尺度上稳定，不带电荷，参与引力相互作用，但几乎不参与电磁和强相互作用，目前尚未被认识的一种新物质。

既然暗物质几乎不参与电磁和强相互作用，所以直接找到它是极为困难的。但科学家猜想，暗物质可能会与普通物质有某些微弱的相互作用、暗物质之间可能会碰撞和湮灭、普通物质之间的高能碰撞可能会撞出暗物质等，所以科学家正通过高能宇宙射线、地下深井实验、高能粒子对撞实验等方式寻找暗物质。

确实，目前国内外有大量的实验在寻找暗物质，但现在基本还没有明确结果。所以，暗物质是目前笼罩在物理学晴朗天空中的一朵乌云。暗物质问题预示着物理学需要一次重大革命。

暗能量发现之旅

暗能量若与暗物质相比，更是不可思议，科学家对它的本质知之甚少。时间回溯到1929年，美国天文学家哈勃利用当时世界上最大的望远镜——加州威尔逊山天文台的2.54米光学望远镜，首先发现遥远星系以非常高的速度远离地球，而退行速度与它们到地球的距离大致呈正比关系（即哈勃定律）。

根据这一发现，俄罗斯物理学家伽莫夫等人提出了大爆炸理论，认为宇宙是从一个极小体积、极高密度的点猛烈地向外膨胀，像发生了一次超级大爆炸而创生的。此后大爆炸理论又得到不同类型的天文观测（比如宇宙微波背景辐射、宇宙元素丰度）的强有力支持。多年来，科学家们一直认为宇宙的膨胀是恒速的，或者因物质间万有引力的作用，宇宙膨胀是越来越慢的。

1998年，澳大利亚天文学家施密特（Brain Schmidt）领导的高红移超新星研究组（里斯在其中起到了至关重要的作用），以及1999年美国天文学家波尔马特（Saul Perlmutter）领导的超新星宇宙学研究组，不约而同地利用了Ia型超新星作为“标准烛光”进行观测。

他们都发现那些远的Ia型超新星的亮度比预期更暗。这就要求宇宙在加速膨胀，只有这样，那些Ia型超新星才会到达更远的位置，它们才会更暗。根据爱因斯坦的引力场方程，从加速膨胀的现象能推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。近年来，对宇宙微波背景辐射的深入研究，精确地测量出宇宙中物质的总密度。得到的结果是所有的普通物质与暗物质加起来大约只占物质总密度的1/3左右，还少了约2/3的物质。这一短缺的物质被称为暗能量。

因此这两方面的证据充分说明宇宙中有大量的暗能量，它在推动宇宙加速膨胀。因为通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀，2011年的诺贝尔物理学奖授予了波尔马特、施密特和里斯。

2015年3月在杂志《科学》（Science）上的一篇文章中，来自普林斯顿大学（Princeton University）的天文学家大卫·斯伯格（David Spergel）回顾了宇宙学家们是如何一步步确定我们是生活在看不见的物质和能量中的。研究者通过观测星系、超新星以及宇宙温度等得出一个结论，认为宇宙是一个不断膨胀的均匀平面。但令人费解的是宇宙膨胀来自于一种暗能量，膨胀速度随着时间推移不断升高，抵消了重力的吸引力。斯伯格说，这个发现意味着如果你向上抛出一个球，你会发现球会不断加速朝上飞去，最后消失在视线中。暗能量的基本特征是具有负压（类似于一种反引力），它在宇宙中无处不在，密度几乎保持恒定且几乎均匀分布。在恒星系统尺度、甚至星系尺度内，引力或电磁力比暗能量导致的斥力作用要强得多，所以在这样的尺度内很难探测到空间膨胀。但是，当尺度达到星系团或更大时，暗能量的斥力就会超过引力效应。所以暗能量的作用要在非常大的尺度上才会凸显出来。

超新星是恒星演化过程中的巨大灾变现象。从观测上来说，可分为I型和II型;从爆发机制来说，可以分为双星中的白矮星的粉碎性轰爆和大质量恒星演化结尾的爆炸。超新星爆发时释放出的能量可以照亮其所在的整个星系。

物理之眼看“暗能量”

暗能量是什么？它从何而来？由什么构成？它是否演化？从1998年至今，科学家绞尽脑汁试图回答这些问题，其中一种模型认为暗能量就是宇宙学常数，它是真空的能量，在爱因斯坦的广义相对论下会产生斥力。随着空间膨胀，它会越来越多，使得排斥力超过因物质日益分散而逐渐变弱的引力。但令人沮丧的是，根据量子场论计算出的真空能的密度与观测到的暗能量密度完全不符。

另一种模型认为暗能量可能是标量场（即能量密度随时空变化的一个动力学场，如第五元素），是一种假想的能量，能渗透进空间，随时间改变，甚至能在不同的地方聚集。也有模型认为暗能量也可能是一种经过修改的引力，在远距离上表现为斥力。当然，关于暗能量，还有很多其他模型。但现在所有模型都缺乏足够的说服力。另一方面，一系列的空间和地面的先进设备正在或很快将开展探测，继续寻找暗能量的踪迹;一些科学家还希望在实验室里利用短距离引力实验，发现暗能量的线索。

斯伯格认为，要解决暗物质、暗能量问题仅靠观测是不够的，想要全面理解暗物质和宇宙加速还需要新的物理学理念，甚至是包含额外维度的全新引力理论。他说，“我们需要一个像广义相对论那样深刻的新理念来解开这些谜团。”

天文观测为物理学提出了这两个革命性的难题。要解决它们，必然需要天文学和物理学的紧密结合;必然需要出现另一个爱因斯坦，甚至是超越爱因斯坦那样的天才。

正如爱因斯坦所言“宇宙最不可理解之处在于它是可以理解的”，相信人类最终会解决暗物质和暗能量问题的！

暗能量确实玄乎其玄，比暗物质更玄、更神秘。但是，暗能量实在是太重要了，它决定了宇宙的未来和结局，即宇宙的命运掌握在暗能量手中。

根据暗能量的特性，有人猜想宇宙的极端结局可能是“大挤压（big crunch）” 、“大撕裂（big rip）”，或一片黑暗。1979年，诺贝尔物理学奖得主温伯格（Steven Weinberg）曾说，如果不解决暗能量这个“路障”，我们就无法全面理解基础物理学。

1957年诺贝尔物理学奖得主李政道也断言，暗能量将是21世纪物理学面临的最大挑战。