什麼是暗物質和暗能量？

本次內容來自系列影片課程

“一說萬物：現代物理學百年漫談”

第九講：宇宙

9.2 什麼是暗物質和暗能量？

9。2 一說萬物 暗物質暗能量_騰訊影片

系列課程介紹

20世紀是物理學的世紀。

在過去一百年中，物理學取得了空前的發展，湧現出很多新想法、新觀念，其影響超越了物理領域，深刻改變了人們對世界的認識。

在《一說萬物：現代物理學百年漫談》中，來自香港科技大學的王一老師將給大家分享這些既深刻又有趣的新想法、新觀念。

每期一個話題、一個概念，講述精巧、富有啟發性。來一起感受思考的樂趣吧！

世界是由原子組成的，費曼認為這是極其重要的一句話。現在我想問大家的問題是：這個世界真的是由原子組成的嗎？或者說，我們通常意義上熟悉的原子、分子，以及原子、分子所組成的物質佔宇宙當中物質的多少呢？這個問題很難從理論的角度去回答，但是宇宙學觀測已經給了這個問題一個答案：我們通常所熟悉的原子、分子所組成的物質只佔宇宙總物質的大約5%，其他25%是一種所謂的“暗物質”，而更多的70%被稱為“暗能量”。

今天我們就來聊一聊什麼是暗物質，什麼是暗能量。

暗物質

我們的太陽系由太陽以及圍繞其轉動的水星、金星、地球、火星等星體構成。水星、金星、地球、火星，我們很容易查到它們離太陽的距離以及它們執行的週期，這樣就可以去計算它們執行的速率。可以看到，隨著距離太陽越遠，速度越來越小，這告訴我們離太陽越遠的物體受到的太陽吸引力就越弱，所以它就不用跑那麼快得去做圓周運動了。

我們可以畫一個旋轉曲線圖來表示隨著離太陽距離的變化，這些行星的旋轉速度是怎樣越來越慢的。但是，我們做一個想象實驗：假如有一個恆星系，它的“水星”、“金星”、“地球”、“火星”，一直到“海王星”，它們的速度全都幾乎是不變的。那會是什麼樣的情景呢？如果我們的引力理論還是牛頓引力，那麼這是不是讓我們感覺這個星系裡有一個幕後的黑手，提供給了越來越遠的行星更多的吸引力來讓它們的速度保持不變？

當然了，我們的太陽系當中並沒有發現這樣的幕後黑手，但是在我們的銀河系以及幾乎所有其他星系當中，我們都發現了這種幕後黑手。我們觀察一個星系，會發現在離星系中心很近的地方有非常非常多的恆星，離星系中心遠的地方恆星就越來越少。考慮離星系中心足夠遠的地方，是不是它們的運動速度應該越來越小，但是我們的觀測表明，運動速度不一定是越來越小的，也可以幾乎不變，甚至有的星系中，會稍稍上升一點，即使稍稍下降一點，下降速度也達不到我們的預期。

在這種情況下，我們想象這個星系當中可能有看不見的幕後黑手。這讓我想起一道腦筋急轉彎，叫做“1+1在什麼情況下等於3？” 你們可能都知道，在算錯了的情況下等於3，但是科研工作者並不喜歡這個答案，我們可以給大家另一個答案：1+1，再加上一個看不見的“暗”數字1，那麼也可以等於3。什麼意思呢？就是說，我們星系當中所有的可見物質加到一起，不能提供足夠的引力去維持速度幾乎不變的旋轉曲線。怎麼辦？我們就再加一些看不見的物質，這種看不見的物質我們叫作“暗物質”。

當我們加入了暗物質之後，無論理論上的預期還是數值上的擬合，都可以基本上解決星系的旋轉曲線問題。當然暗物質從被提出以來，不僅在星系的旋轉曲線上，還在星系團、宇宙的大尺度結構，甚至早期宇宙當中發現了各種各樣的觀測證據。

我們是透過引力去理解暗物質的，它看不見，但是也提供了一份萬有引力。我們如果再較真的去問：這個暗物質到底是什麼呢？我們還不知道，我們只知道暗物質不是什麼。

首先，我們知道暗物質不是能發光的物體，不參與電磁相互作用，並且我們知道，它的引力相互作用和我們熟悉的原子分子物質是差不多的。除此之外，我們對暗物質的性質瞭解非常之少。暗物質有可能是原子分子這樣的一些粒子，也有可能是所謂的場的能量，甚至有可能是比可見光的波長還微小的微小黑洞。

暗物質到底是什麼？現在我們還不清楚，但是暗物質的存在和我們實際上是息息相關的。一個讓我們很難想象的事情是，如果暗物質真的是由暗物質粒子組成的，那麼每一秒鐘有可能穿過我們身體的暗物質粒子成千上萬，甚至比這個數字還要大好多好多個量級。但是我們根本感覺不到，因為它們和我們之間除了引力，沒有其他的相互作用。

暗物質也有可能是其他各種各樣的候選者，無論它們是什麼，其實在早期宇宙中，暗物質為我們的形成做了很多鋪墊，因為宇宙大尺度結構的形成、星系的形成都與暗物質有關：首先暗物質會凝結成一個雲彩裡邊的凝結核類似的東西，然後在這個凝結核周圍，才形成了宇宙的大尺度結構。

暗能量

下面我們討論另一種更加神奇的存在——暗能量。首先問大家一個問題：引力總是吸引的嗎？

考慮在地球上扔一個物體，比如一個小球，那麼即使小球處在上升的過程中，這個小球也應該是減速上升。如果發射一個火箭，當火箭的推力燃料用完了，只是在透過慣性來飛行，那麼火箭的上升也是減速上升。也就是說，引力的吸引可以在減速上升中體現出來。

那麼我們的宇宙呢？透過前面幾講，我們知道了宇宙在膨脹。用定性的觀點，我們也可以把宇宙的膨脹理解成像我們從地球上扔東西一樣：在宇宙誕生的一剎那，宇宙中所有的東西全都被向外丟擲，這些向外丟擲的東西，受到裡邊東西的吸引力，那麼宇宙應該是什麼樣的膨脹呢？應該是減速膨脹。

但是宇宙學觀測發現，宇宙正處於一個加速膨脹的狀態。加速膨脹告訴我們，宇宙裡所有的東西，包括可見物質、暗物質，甚至也包括我們待會要提到的別的東西，它們是很嫌棄外邊的這些東西的，它們為外邊的東西提供的不是引力，反而是推力。這種推動宇宙加速膨脹的東西，我們甚至可以給它解釋成反引力，而提供反引力的這樣東西，在天文宇宙學上，被叫做“暗能量”。

那麼，到底什麼是暗能量？我們不知道什麼是暗能量，在理論上暗能量同樣有很多候選者，但是要確定暗能量到底是什麼，我們還需要更多的理論理解，以及更多的實驗觀測。現在解釋暗能量最簡單的一個理論是真空能。

真空當中存在量子漲落，而量子漲落本身也具備一定的能量，這個能量就是真空能。真空能可以提供宇宙的加速膨脹，也就是說，它可以當做是暗能量的一個候選者，並且它是迄今為止宇宙當中最好的暗能量的候選者，至少從觀測上來講。

那麼暗能量和我們有什麼關係呢？暗能量的性質決定了宇宙最終的命運。為什麼這麼講？周伯通曾經講過：如果我現在不是世界上最厲害的，武功不是天下第一，有一個辦法讓我成為武功天下第一：把所有比我厲害的都熬死就可以了。我們宇宙的命運也是非常相似的。宇宙的命運為什麼掌握在暗能量的手裡呢？因為在宇宙膨脹的時候，所有我們能想象到的其他物質，其密度都是降低的。但是假如暗能量是真空能的話，一盒子的真空和膨脹一下、大一點盒子的真空是不是同樣的真空？也就是說，真空能的密度隨著宇宙的膨脹並不降低。別人都降低了，把別人都熬死之後，宇宙的命運就掌握在了真空能的手裡。

那麼，宇宙將是什麼樣的命運？如果真空能真能持久不衰並不衰變的話，那麼我們的宇宙將處於不斷的加速膨脹，而不同的區域將逐漸的彼此失去聯絡——這樣一個孤獨終老的狀態。

當然，這只是我們對宇宙未來的一個想象，因為真空能只是暗能量的一個候選者，暗能量不同的候選者會給我們帶來大撕裂、大擠壓等等各種各樣宇宙不同的命運。要知道我們宇宙的命運到底是什麼，我們還需要對暗能量有更多的理解。

導師簡介

王一

：中國科學技術大學本科，中國科學院理論物理研究所博士。現任香港科技大學副教授，研究領域為理論宇宙學。近期的主要研究興趣是將物理學中最大的物體和最小的物體聯絡起來，用早期宇宙的遺蹟研究基本粒子物理。其他研究方向還包括早期宇宙模型、暗能量、暗物質、原初黑洞、引力波等。曾獲香港大學教育資助委員會青年學者獎、被學生評選為最喜歡的教師。

系列課程內容

第一講：概述物理學的世紀

1。1 一百年前，我們知道什麼？

1。2 更小：從打地鼠到光電效應

1。3 更高：“上帝”的選單

1。4 更快：什麼是相對論？

1。5 從簡單的定律到複雜的宇宙

第二講：現代物理學之光

2。1 什麼是現代物理學之光？

2。2 光是粒子還是波動？

2。3 你見過波動著的粒子嗎？

2。4 什麼是波粒二象性？

第三講：漫遊量子世界

3。1 從聊齋志異到量子隧穿

3。2 不確定性原理：拯救世界的大英雄

3。3 非同尋常的測量

3。4 薛定諤貓死了嗎？

第四講：原子

4。1 世界為什麼是由原子組成的？

4。2 花粉顆粒為什麼會跳舞？

4。3 從氫原子到萬物

第五講：熵與資訊

5。1 大吃一斤，什麼增加了？

5。2 時間箭頭：誰偷走了你的時間？

5。3 麥克斯韋的妖精教你什麼是新聞

第六講：複雜

6。1 從“兔子函式”到“三生萬物”

6。2 三體星人為什麼算不對飛星？

6。3 海岸線是無窮長的嗎？

第七講：狹義相對論

7。1 鍾變慢，尺縮短

7。2 天涯共此時嗎？

7。3 時空是一回事嗎？

7。4 時光能倒流嗎？

第八講：廣義相對論

8。1 等效原理：引力是幻覺嗎？

8。2 彎曲時空，引力退散

8。3 黑洞：天上一天，地上一年

第九講：宇宙

9。1 晚上天會黑，因為宇宙年齡有限

9。2 什麼是暗物質和暗能量？

9。3 終極理論之夢

墨子沙龍是以中國先賢“墨子”命名的大型公益性科普論壇，由中國科學技術大學上海研究院主辦，中國科大新創校友基金會、中國科學技術大學教育基金會、浦東新區科學技術協會、中國科學技術協會及浦東新區科技和經濟委員會等協辦。

墨子是我國古代著名的思想家、科學家，其思想和成就是我國早期科學萌芽的體現，“墨子沙龍”的建立，旨在傳承、發揚科學傳統，建設崇尚科學的社會氛圍，提升公民科學素養，倡導、弘揚科學精神。科普物件為熱愛科學、有探索精神和好奇心的普通公眾，我們希望能讓具有中學及以上學力的公眾瞭解、欣賞到當下全球最尖端的科學進展、科學思想。

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