烧脑科普，宇宙中神秘的暗物质和暗能量

所以今天我们就来学习下暗物质和暗能量吧……

听名字就好烧……

以下是文字版，看视频烧毁CPU的面粉们，可以反复观看文字……多烧几遍……

物质，我们都熟。原子、恒星、星系、行星、树木、岩石和我们自身都算是物质。然而这些看似囊括整个世界的物质只占了已知宇宙的5%。

宇宙中25％是暗物质，70％是暗能量，而两者都是不可见的。这意味着我们体验的所有事物，其实只是现实很小的一部分。

然而，我们对暗物质和暗能量是什么，或者它们如何运作的没有任何头绪。

那么，我们知道什么？

暗物质为星系的存在创造了可能

当我们计算出宇宙为什么会形成现在的样子时，正常物质不足以充满宇宙的结论很快就昭然若揭了。可见事物的重力没有大到足够形成星系和其复杂的结构，恒星们会分散得到处都是，无法形成星系。

所以，一定还有别的东西在星系里，包围着它们。这些东西不发射或者反射光，它们就是暗物质……

除了能计算出暗物质的存在，我们其实也算是能……看到它们。

高浓度暗物质会使经过的光线弯曲。因此，我们知道在那里有物质与重力相互作用。

相比定义暗物质是什么，我们更清楚它不是什么：

暗物质不只是没有恒星的普通物质云，否则它会发射我们能检测到的粒子；暗物质不是反物质，因为当反物质与普通物质发生反应时会产生独特的伽玛射。 线；暗物质也不是由黑洞组成的，能极度影响周围的环境。

我们只知道三件事是肯定的：

1.有东西在那里

2.它与重力相互作用

3.它无处不在

暗物质可能是由某种复杂的奇异颗粒构成的，不与光或物质以我们预料的方式相互作用。

暗能量则更加神秘

我们无法检测它，无法测量它，但我们能看到它的影响。

在1929年，爱德文·哈勃检测到了被遥远星系发射的光在空间中旅行时，会转变成电磁波谱的远红端。他发现越暗，越遥远的星系会呈现越明显的红移现象；近的星系，则没有那么明显。

哈勃认为，这是因为宇宙自身正在膨胀。红移现象的产生，是因为光的波长随宇宙膨胀而被拉长。

在此之前，人们认为，重力会让宇宙的膨胀减缓或者甚至收缩，并且在某个时间点崩塌。然而随着膨胀，空间属性并没有变化，宇宙只是越来越大了，新空间不断产生。

宇宙里任何有真空区的地方，每一秒都有更多的空间出现。而暗能量似乎是真空区的某种内在能量，比我们已知的任何事物都强大，并且随着时间的流逝逐渐增强。

真空区的能量大于这个宇宙中所有事物的能量总和。

关于暗能量是什么，我们有很多种假设

一种想法是，暗能量不是一个东西，而只是空间的一个属性。真空区里不是没有东西，它有它自己的能量。它可以产生更多的空间，并且颇为活跃。因此，随着宇宙膨胀，会有越来越多的空间出现填补空白，并导致宇宙更快地膨胀。

另一个想法是，真空区实际上充满了短暂的，自发地不断地从无形成的虚拟的颗粒，然后再消失为无，形成这些颗粒的能量可能就是暗能量。

暗能量也有可能是一种未知动态能量流或场。它渗透到整个宇宙，但不知何故，与普通能量和物质相比对宇宙具有相反的作用。

今天，我们对暗物质和暗能量的理论仍然只是：理论。

一方面，这种认知有些令人沮丧；另一方面，对暗物质的研究实属前沿科学，又使它十分令人兴奋。

它告诉我们，无论我们觉得自己多么牛叉，我们仍然只是用着智能手机的猿猴。在一个微小脆弱的太空岛屿上仰望星空，思考宇宙是如何工作的。

暗物质、暗能量是物理学领域以及天文学领域的未来最重要的研究领域。如果在这两个方面能有所突破，那么物理学和天文学将会迎来巨大的革命。可是你知道吗？暗物质、暗能量是人类探测器无法直接探测到，那么问题来了，既然看不见，为何科学家们还能如此确信它们的存在呢？

要了解这个问题来，我们首先要搞清楚，四大基本作用力。话说根据科学家们坚持不懈的研究，他们发现在这个世界上存在着四种基本最用力分别是：强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力以及引力相互作用力了。

其中，强相互作用力和弱相互作用力都是作用在原子核的层面，属于微观世界，我们日常生活中所接触的世界是宏观世界，所以是接触不到这两种相互作用力的。引力相互作用力也很好理解，就是物体和物体之内的吸引力。我们向前抛掷物体，物体会向下掉落就是地球引力在作怪，月球会绕着地球，地球会绕着太阳也都是引力在作怪。

日常生活中除了引力相互作用力之外，剩下各种力的本质都是电磁相互最用力。比如，支持力，弹力，摩擦力等等。而人的肉眼可以看到物体，本质上是因为物体自身发光或者物体反射光，光进入到眼睛当中，与眼睛当中的细胞发生电磁相互作用力，这才使得人类可以看到这个物体。也就是说，观测本身也就依靠电磁相互作用力。

了解这个问题，我们再来看看暗物质和暗能量。科学家通过研究星系就发现一个问题，按照引力理论，星系中心附近的天体运动速度应该要比距离星系远的天体运动速度快很多。

可是在实际观测过程中，科学家发现，距离星系中心远的星系运动速度并不慢，甚至可以媲美星系中心的天体。

举个例子，太阳系位于银河系第三悬臂上，距离银河系中心2.6万光年，根据万有引力定律，太阳系的运行速度应该是160千米/秒，事实上观测的结果却是240千米/秒。

也就是说，太阳系的实际速度要远远大于理论速度。如果我们想象一下，当你拽着耳机甩，把耳机越甩越快，那么你拉住耳机的力就要越大。太阳的实际速度要大于理论速度，这说明还存在着我们没有观测到的物体提供了额外的引力。

这个物质恰好是不参与到电磁相互作用力，所以我们无法观测到它。科学家就把这个物质称为：暗物质。

后来，科学家利用一些间接的手段也观测到了暗物质的存在。不仅如此，各国还在研发观测设备来观测暗物质，而利用的原理是：弱相互作用力。这是因为科学家们发现暗物质有很低的概率可以发生弱相互作用。

说完了暗物质，我们再来说暗能量。按照天文学家哈勃的观测，宇宙正在发生膨胀，后来科学家也提出了宇宙大爆炸理论，并且找到了相关证据。

我们都知道，我们所处的宇宙是一个物质主导的宇宙，物质之间存在着引力，在引力的作用下，宇宙的膨胀应该是越来越慢的，也就是减速彭咋。当达到零时，还会收缩。科学家就想了解膨胀的速率情况。于是，他们进行了更为细致的研究，结果发现宇宙非但没有减速膨胀，还在加速膨胀。

这意味着存在着一种东西提供了和引力正好相反的斥力，在斥力的促使之下，宇宙才会加速膨胀。科学家管提供斥力的这种东西就叫做：暗能量。不过，对于暗能量的研究，还很初步，科学家们对它具体是什么还没有达成共识，可以说一千个科学家就有一千个暗能量理论。

不过，科学家们通过研究就发现，暗能量、暗物质才是宇宙的主角，它们占据了宇宙物质总量的95%以上，而已知物质只占据了不到5%，也就是说，我们对于宇宙还知之甚少，搞清楚了暗物质和暗能量，将对人类对于宇宙的认知提升好几个段位。

宇宙主要由暗能量，暗物质和普通物质组成。

暗能量是指驱动宇宙运动的能量，人类感知不到，也探测不到。暗能量总是以漩涡运动的形式出现，在旋转范围内形成漩涡场，所以宇宙的运动都是漩涡型。暗能量约占宇宙总质能的68.3%。

暗物质是指那些不与光发生作用，不能被人类感知到，也不能被仪器探测到的物质，称为暗物质。比如黑洞，人类只能猜测它的存在，但却看不见，也探测不到。暗物质约占宇宙总质能的26.8%。

普通物质是指那些能与光或波发生作用，从而能被人类感知或探测到的物质，称为普通物质。小到原子，大到行星，卫星，恒星，星系，都是普通物质。普通物质只占宇宙总质能的4%。

暗能量的发现过程是这样的。

1922年，美国天文学家埃德温·哈勃，发现了外星系的“红移现象”。就是地球远处的外星系颜色越来越红，哈勃仔细测量了这种红化，光的颜色与它的波长有关，星系颜色变得越红，说明它的光波越长了，也就说明这个星系距离地球越来越远。从而给出结论：不管往哪个方向看，远处的星系正在远离我们而去，而近处的星系正在向我们靠近。进而说明，宇宙一直在不断的膨胀。

科学家爱因斯坦，根据宇宙一直在不断膨胀这一现象，提出了“宇宙大坍缩”理论，他认为，由于各星系重心的吸引力作用，宇宙最后终将停止膨胀。接着又会在各星系重心的吸引力作下，所有空间和物质向内部坍缩，使所有星系越聚越紧，最后形成一个紧密的物质团，从而摧毁宇宙中所有的生命，也就是大爆炸的逆过程。

宇宙大坍缩理论，一直被大多数科学家所认同，从爱因斯坦直到斯提芬.霍金，持续了近100年。

2003年，美国航空航天局的科学家，通过太空望远镜观测星系的“红移现象”，测量出了星系光谱的红移量，从而测算出，宇宙中的外星系不但是在远离我们，而且是在以加速度远离我们而去，也就是说宇宙在加速度膨胀。

美国航空航天局的科学家认为宇宙膨胀的速度将越来越快，根本不可能发生如爱因斯坦和霍金等科学家所预言的宇宙在减速膨胀，到达极限后，会停止膨胀，从而发生逆转，向内部“大坍缩”的现象。爱因斯坦和霍金的“宇宙大坍缩”理论就此被终结。

美国航空航天局的科学家认为，只有一种现象才能解释宇宙这种“加速”膨胀的现象，那就是宇宙中确实存在着一种“暗能量”，正是暗能量引起了宇宙的这种加速膨胀现象。

他们解释道，比如，向空中扔出一个球，如果地球引力是唯一的作用力，这只球最后将减缓速度，并开始落向地面。可是如果这个球的速度挣脱了地球的引力，从宇宙中会观察到，这只球不但没有减缓速度下落，反而以加速度逃离地球而去。”从而证实宇宙中“暗能量”的确存在。这种暗能量将会抵消宇宙中星系重力的作用，使宇宙一直不断膨胀下去。

美国航空航天局科学家的这一发现，是个跨时代的发现，改变了人类的宇宙观。

暗能量、暗物质、黑洞是本质完全不同的三类宇宙存在：黑洞是极端致密的天体，暗物质是不可见的弥散物质，暗能量是驱动宇宙加速膨胀的空间背景能量，三者的引力效应、分布形态和宇宙占比均天差地别。
一、各自核心定义

• 黑洞属于普通重子物质演化的极端天体，由大质量恒星死亡坍缩、或星系中心物质吸积聚合形成。它有明确的边界（事件视界），视界内引力强到光速都无法逃逸，因此本身不发光、不反射光。它的引力是吸引性的，是局域化的 “点状强引力源”。
• 暗物质属于非重子物质（不由原子 / 质子中子构成），完全不参与电磁相互作用—— 因此不会发射、吸收、反射任何电磁波（光、X 射线等），无法直接 “看到”。它有正质量，产生吸引性引力，呈弥散的 “暗物质晕” 形态包裹着星系和星系团，是维系星系结构不溃散的 “引力骨架”。
• 暗能量它不是物质，而是一种充满全宇宙空间的背景能量，最核心的特征是具有负压强，在宏观上表现为排斥性的引力效应，是驱动宇宙加速膨胀的根本原因。它均匀分布在宇宙所有空间中，密度极低但总量占比最高。
  

二、核心维度对比

对比维度	黑洞	暗物质	暗能量
本质	致密天体（重子物质极端形态）	非重子物质（有静质量）	空间背景能量（无静质量）
引力效应	吸引性，局域强引力	吸引性，弥散的弱引力叠加	排斥性，全域均匀作用
空间分布	局域点状 / 球状，集中在星系中心等区域	弥散晕状，包裹星系 / 星系团	均匀充满整个宇宙空间
探测方式	吸积盘辐射、引力透镜、引力波	星系旋转曲线、引力透镜、微波背景辐射	超新星测距、宇宙膨胀速率观测
宇宙总质能占比	极低（归属于普通物质，普通物质共约 5%）	约 27%	约 68%
实体边界	有（事件视界）	无，弥散分布	无，充满空间

三、常见误区澄清

• 暗物质≠黑洞：黑洞属于普通重子物质，且是致密天体；暗物质是非重子的弥散物质，二者物理本质完全不同。
• 暗物质≠暗能量：名字相似但作用相反 —— 暗物质 “拉” 着宇宙结构聚合，暗能量 “推” 着宇宙整体加速膨胀。