什么是暗物质？暗能量？

新世纪之初，美国国家研究委员会由19位权威物理学家和天文学家联合执笔，发布题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告。科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重。“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”在所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位。

几十年前，暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度 中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。尽管暗物质的本质现在还不清楚，但这并不影响到它的存在。

在天文学上，人们根据质量和光度的比值测量出的质量，总比根据星系周围的物质转动曲线、双星系的万有引力和动力学平衡条件等力学的方法得出的质量要小得多。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。也就是说，宇宙大尺度范围内存在暗物质，这是一个普遍的规律。计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。

李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距。星系周边的恒星、灰尘或者气体云，都以某一线速度作圆周运动，其离心力是

F离 = mv2/r

r是物体离中心的距离。

星云的万有引力

F引 = GmM/r2

式中G引力常数，M为星云的质量。星云的万有引力应跟离心力相平衡，等式两边消去m，于是有

GM/r2 = v2/r

等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度。简化并变形得

v2= GM/r

由于引力常数G和星云质量M都是常数，由以上公式可以看出，恒星线速度v的平方和星体离星云中心的距离r成反比。于是，星体离星云中心越远，其线速度就越小。如果测出了r和星体的速度v，就可以算出在这个星云的物质M。

以星系NGC3192为例，它的发光区域长约15千秒差距，但是到距离中心30千秒差距处恒星的线速度反而比15千秒差距处的还要大，这表示星系NGC3192中除了有看得见的物质外还有看不见的物质。

看得见的物质是明物质，指眼睛能看见，可用电磁波、红外光进行测量。看不见的暗物质不发光，也不反射光，但它可产生万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度并不随距离的增大而减少。

这种现象不是个别的，所有测量过的967个星系都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里都有暗物质。

大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系 。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了。有人认为，普通发光物质占了宇宙总质量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近23%，另外的73%是暗能量。

本世纪30年代，瑞士天方学家兹威基用两种和法测量了星系团的质量。一种是光度方法，即通过测量星系团中星系的光度，根据星光度和质量关系，推出星系的质量，然后将各个星系的质量加在一起，得出整个星系的团的质量。另一种方法是动力学方法，即测量各个星系之间的相对运动速度，由此推知星系团的总质量。结果发现，用这两种方法得出的质量差别极大。拿后发星系团来说，动力学质量要比光度质量大400倍。这个结果只能解释为：后发星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的，而是由其中大量的暗物质提供的。用光度方法只能测出发光区的质量。因此含有大量暗物质的不发光区的光度质量，自然会比动力学质量小得多。兹威威基把光度方法测不到的质量称为“下落不明的质量”。

但是直到70年代，一些相当有影响的天文学家仍然相信星系是宇宙中的主要成分，认为下落不明的质量根本不存在，质量并没有短缺。1987年，通过星系的转动曲线证明了暗物质的存在，在这一事实面前，这些天文学家开始慎重考虑暗物质问题。

星系的转动曲线是指围绕旋涡星系转动物体的速度与其半径的关系。转动曲线描述了物体距星系中心不同距离时，在星系盘里的轨道速度。速度是通过多普勒效应得到的——我们接收到的光的波长变化与物体接近我们还是远离我们的速度成正比。然而观测结果却发现，在星系发光区域之外，物体的转动速度与距离无关。也就是说，不同距离上的物体竟有相同的转动速度。对于这个反常结果唯一的解释是，星系周围的空间并不是真空，而是存在着质量可观的晕，这个晕不发光，是暗物质的。

此后，天文观测又发现许多能证明暗物质存在的证据。譬如，我们附近的恒星运动反映出银盘里的物质的引力影响，比我们发现的恒星和气体物质的引力影响大50%。射电天文学、红外天文学、紫外天文学和X射线天文学的发展，允许我们探测不同温度的气体，计数光度只及太阳十万分之一甚至更暗的单颗恒星，尽管如此，银河系的密度仍和天文学家经理论计算所预期的相差甚远。

一些科学家确信，宇宙中实际存在的物质总共是发光部分的1000倍。

暗物质究竟是什么呢？粒子物理学家寄希望于暗物质的研究能找到他们所预言的许多“暗”粒子。这些暗粒子有各种各样的名称，通用的集合名词是“微子”和“宇宙子”。其中许多都是根据已知粒子而创造的名词。如光微子是由光子而来的，引力微子是由引力而来的。它们大都不参与地磁作用，或只有很弱的相互作用。弱相互作用对这些粒子形成暗物质是有利的，但也使研究这些粒子变得十分困难，它们能直接穿透地球和太阳，更不必说实验室里的探测器了。由于天文观测只能直接提供大而亮的天体的数据，而对又暗又小的粒子无能为力，天文学家只好借助观测一种不度小、呈球形分布的星系——矮球队状星系，来推断暗粒子的性质。

在银河系周围，有六七个矮球状星系，它们距离银河中心大体在20~60万光年之间。它们处在银河系的引力场中，而不被银河系的潮汐力所瓦解，可见它们的质量不可能太小。另外，矮球状星系光度不大，可知其中发光物质不多，暗物质一定不少。还可进一步推断，构成暗物质的粒子的静止质量必定较大，否则就不可能留在这种矮小的星系里。由此猜测这种暗物质十有八九是引力微子或光微子。

其实，由物质无限可分的性质也能预见到暗物质的存在。因为分到比光子还要小的部分就一定是暗物质。因此，暗物质的存在也就支持了物质的无限可分性。

暗物质的存在会严重威胁到广义相对论，爱因斯坦在创立广义相对论时，显然是没有考虑到这些暗物质的，作为一个精密的理论，是没有理由不预见到这么多暗物质的。

在第二章里我们已经讨论过，用暗物质对物体的碰撞来说明万有引力，正是需要暗物质的存在。一部分暗物质与物体的碰撞，破坏了暗物质的各向同性而产生了万有引力。因此，在某种意义上，万有引力的碰撞起源，已经预见到了暗物质的存在。

星体的演化也需要暗物质。暗物质生成原子氢，原子氢进行热核反应放出大量的热能就成为星体的演化的能源。这种能源实质上是暗物质所具有的，可以称为是暗能量。由此可见，暗能量其实是暗物质所固有的，它和暗物质是不能分开的。哪种认为，普通发光物质占了宇宙总质量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近23%，另外的73%是暗能量的观点是有问题的。因为73%的暗能量显然是受相对论的影响，认为质量可以变为能量，从而把能量和质量分隔开来，这当然是不对的。暗能量是暗物质所固有的，它占的比例应算到暗物质的名分上。严格地讲，普通发光物质占了宇宙总物质的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近96%。

人们凭自己的感觉总认为有一种什么东西也没有的“真空”存在，这种认识是片面性的。因为人们能看到的物质层次是非常有限的，而看不到的物质层次是无限的，“真空”中存在着大量的暗物质，只是人们无法感觉到罢了。因此，真空不过是一种表观现象，真空不空。

暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，
暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。大概是这样吧！！

宇宙中的暗物质是什么，听起来很可怕