暗物质和暗能量是同一种东西吗？

卫斌皇

暗物质密度（左）过渡到气体密度（右）

在宇宙中，我们所看到的并不就代表“所有”。所以，我们的观测必须与理论紧密结合在一起：观测结果告诉我们那里有什么，而理论可以让我们将预期的与实际观测到的进行比较。当两者一致时，说明我们已经很好地理解了发生了什么;如果两者不一致，那就意味着要么是我们的理论不太适合这种情况，要么是存在着我们的观察没有直接揭示的其他因素。而宇宙中许多这种“不一致”都指向两种成分：暗物质和暗能量。

它们是一枚硬币的两面吗？它们相互独立，还是互为一体？如果是独立的，它们会相互作用吗？如果是一体的，那我们如何区别它们？

一般来说，我们并不认为它们互为一体——但这不代表事实就是这样。下面我们就来看看这个问题。

用引力理论构建宇宙

对我们来说，宇宙中还有许多谜团，但在最大的尺度上，每个谜团的本质都与引力有关。问题是，我们认为我们知道引力是什么，因为爱因斯坦的广义相对论通过了一个又一个的检验——无论我们抛出什么现象，这一反直觉的理论所预测的，都与我们所观测到的完美吻合。

从太阳系中的恒星光到巨大的星系、类星体和星系团的引力透镜背景光，我们看到质量天体对光线的弯曲程度与爱因斯坦理论预测的完全一致;我们也看到引力波具有爱因斯坦理论预测的精确频率和振幅。

爱因斯坦成功的例子还有很多，从引力红移到“兰斯-瑟林效应”，从双星黑洞的旋进到引力时间膨胀等。我们对广义相对论所做的每一次检验，从地球上的实验到太阳系内的观测，再到数十亿光年之外的信号，都表明广义相对论在任何已知情况下都是正确的。

当我们把这个引力理论应用到整个宇宙时，得到了一组揭示一个非常重要关系的方程。这表明，如果我们知道宇宙由什么组成的，广义相对论就可以预测宇宙如何运行和发展。我们可以用任何能想象得到的东西来建构我们的宇宙，这些东西包括普通物质、辐射、中微子等常规成分（这些成分由标准模型中的粒子组成），还有黑洞、引力波，甚至暗物质和暗能量等假想实体。

宇宙不同能量的行为

这些不同的成分以不同的方式影响着宇宙，其中的原因很容易理解。你所要做的就是想象很久以前的宇宙，那时它更小，更热，密度更大，也更均匀，然后想象它随着时间的推移而演化。随着时间的推移，宇宙会膨胀，但是不同类型的能量会表现出不同的行为。

例如，随着宇宙的膨胀，普通物质的分布越来越稀薄。这是因为物质粒子的数量保持不变，但它所占的体积增加，因此它的密度下降。然而，它也会受到引力吸引，这意味着空间密度略高于平均水平的区域会优先吸引更多周围的物质，而密度略低于平均水平的区域则倾向于把它们的物质让给周围的区域。随着时间的推移，宇宙不仅会变得越来越稀薄，而且开始在小尺度上形成稠密的结构，然后再形成更大的结构。

宇宙的四种命运，最下面的是有暗能量的宇宙，它最符合数据。

另一方面，辐射也会变得越来越稀，并且会随着宇宙的膨胀而失去能量。这是因为光子的数量，就像质子、中子或电子的数量一样，也是固定的，所以随着体积的增加，数量密度会下降。但是每一个光子的能量是由其波长定义的，它会随着宇宙的膨胀而减少：当两点之间的距离变长时，在宇宙中穿行的光子的波长会变长，从而失去能量。

多出来的质量是谁的？

当我们观察宇宙中的星系、星系群和星系团，甚至是数十亿年前形成的巨大的宇宙网时，我们可以检验它们的内部属性，例如恒星、气体和其中的其他成分相对于中心在不同距离上变化的速度;检验它们的集群属性，例如我们是否可能在距任何给定星系一定距离处找到另一个星系;检验它们的质量有多大，通过它们引起的引力效应（比如透镜效应）进行推断;检验构成它们的正常物质，包括气体、尘埃、恒星、等离子体等，在哪里以及有多少。

当我们这样做的时候，我们发现，所有正常的物质、辐射，以及宇宙中应该存在的所有其他标准模型粒子，根本不足以解释我们所观察到的现象。从单个星系的旋转速度，到单个星系在星系团中的运动，到星系团的大规模类聚，再到宇宙的整体质量密度，每一种现象中都有太多的质量无法用正常物质来解释。

所有这些现象都是真实的，因为我们已经证实，对于正常物质组成的物体而言，其質量与引力之间存在某种一致性。幸运的是，只要我们在宇宙中加入一种物质，就能让这一切“回归正轨”，这就是——暗物质。

它要满足以下特征：一是要冷，当宇宙还很年轻的时候，相对于光的速度它运动得很慢;二是无碰撞，也就是说它不与普通物质、辐射或其他暗物质粒子发生碰撞和动量交换;三是黑暗，它对辐射和正常物质都是透明的;四是体积巨大并有引力。

如果在宇宙中添加它，所有这些现象以及许多其他现象就会变得与爱因斯坦引力的预测一致。有许多人通过改变引力学来解释其中的一些现象，特别是对牛顿动力学的改进，解释了宇宙中许多在小尺度（几百万光年及更短的时间）上发生的现象，效果甚至比用暗物质解释更好。但是，所有的修改都必须包含暗物质或看起来与暗物质几乎没有区别的东西。因此，暗物质成了我们在构建宇宙时极具吸引力的候选者。

来自宇宙微波背景的证据

暗物质真的存在吗？也许我们可以从宇宙微波背景中找到证据。

如果我们从大爆炸的最早时刻开始模拟宇宙，并添加我们期望在那里存在的成分，会发现宇宙膨胀和冷却到足以形成中性原子的时候，在大爆炸的余光中，将出现一种与温度成比例关系的波动模式——遍布整个宇宙空间的辐射（目前已红移至微波波长）。

这种辐射在20世纪60年代中期首次被探测到，它几乎是均匀的，因此测量它的波动是一项非常艰巨的任务，因为天空中最热的区域只比最冷的区域热0.01%。所以直到20世纪90年代，我们才真正开始测量这些原始的宇宙“缺陷”。今天，我们在9个不同波段测量了整个微波天空的温度，精确到微开尔文，误差达到0.05度。现有的数据可以用“精准”来形容。

对我们建构的宇宙来说，这种波動模式是非常敏感的。各种波峰和波谷的大小和位置告诉我们宇宙中有什么，也排除了与数据不符的宇宙模型。例如，如果我们用普通物质和辐射模拟宇宙，只能得到我们所看到的峰和谷的一半，还有峰的角度范围太小，温度波动的幅度会大很多。对于这些观察结果，暗物质是必需的。

但是，除了暗物质，还需要其他一些东西。如果你把所有的普通物质、暗物质、辐射、中微子等都带入宇宙，你会发现，这只达到总能量的三分之一。因此，一定存在另外一种形式的能量，与暗物质或普通物质不同，而且它不是聚集在一起的。无论这种能量是什么，它必须存在于暗物质之外，这样才能符合我们观测到的宇宙微波背景。

暗物质和暗能量的微妙联系

暗物质和暗能量都是“黑暗的”，因为它们都无法直接观测到（至少目前的技术无法做到）。但是我们可以看到它们的间接影响：暗物质影响宇宙形成的结构，暗能量影响宇宙膨胀以及其中的辐射演化。但它们截然不同，最大的区别是：暗物质成团结块，而暗能量似乎平均地分布在整个空间;随着宇宙的膨胀，暗物质的密度变小，但暗能量的密度保持不变;暗物质减缓宇宙的膨胀，而暗能量则是使遥远的星系在远离我们时加速。

也许有人认为我们应该建立一个暗物质和暗能量的“统一模型”。事实上，许多物理学家已经这样做了。但似乎完全没有这个必要，因为这样一来，我们又必须回答一个问题：为什么引入一个带有两个参数的成分——一个参数用于解释“暗物质”，另一个参数用于解释“暗能量”——要比两个独立的成分更有吸引力？

当我们看到暗物质和暗能量如何随着时间而演变的时候，这个问题显得更难回答。

从宇宙几万岁到大约70亿岁，暗物质构成了宇宙能量密度的80%;而在过去的60亿年里，暗能量已成为宇宙膨胀的主导力量，目前约占宇宙总能量的70%。随着时间的流逝，暗能量将变得越来越重要，而包括暗物质在内的所有其他形式的能量将变得微不足道。

如果暗物质和暗能量在某种程度上相互关联，那么按照我们目前的理解，这种关系很微妙且不明显。对于暗物质，它缺少“会结块但不会碰撞或施加压力”的属性;对于暗能量，缺少的属性是“不会结块或碰撞，但会施加压力”。

在我们有证据证明两者是相关的之前，我们采取的保守看法是：暗物质形成了大的宇宙结构，并将其结合在一起;但暗能量将这些单独的结构相互推开。

这么看来，暗能量显然很成功，它使得在约1000亿年的时间里，我们可见的宇宙只剩下本地星系群;除此之外，只有一片虚无，在数万亿光年的范围内我们看不到任何其他星系。