一口氣看懂：暗物質(zhì)，暗能量，宇宙學(xué)常數(shù)！這是宇宙三個核心烏云

提到暗能量，很多人會將其和暗物質(zhì)混淆，畢竟名字都有一個“暗”字。

其實這兩者除了都不參與電磁力，基本上沒有什么共同點（目前來看）。相反，暗物質(zhì)具有引力作用，而暗能量是斥力作用。

如果現(xiàn)有宇宙學(xué)模型的預(yù)測是對的話，那暗能量會占據(jù)宇宙總能量的68.3%，暗物質(zhì)則為26.8%，而我們看得見摸得著的正常物質(zhì)只占據(jù)4.9%（數(shù)據(jù)存在誤差）。所以對暗能量的研究，將是揭開宇宙神秘面紗的核心環(huán)節(jié)。

不管是暗物質(zhì)還是暗能量，它們之所以是“暗”的，完全是因為我們看不見，這不僅肉眼上的看不見，也是電磁探測器的看不見。

所以可以確信，暗物質(zhì)和暗能量都不參與電磁作用。

沒有電磁作用，就意味著這些物質(zhì)獨立于人類的感官之外。

人類感知世界的方式無非來自五大感官，眼睛的視覺，鼻子的嗅覺，舌頭的味覺，耳朵的聽覺，皮膚的觸覺，本質(zhì)都是通過電磁力傳入到人的意識中的。

而不存在電磁作用的暗物質(zhì)和暗能量必然是無法被人類的感官識別到的。

與暗能量不同的是，暗物質(zhì)雖然不參與電磁作用，但好在參與引力。

暗物質(zhì)最早是由荷蘭物理學(xué)家—揚?奧爾特提出的，也就是后來名字被命名為奧爾特云的奧爾特。

1932年，奧爾特在研究銀河系自旋時發(fā)現(xiàn)，按照現(xiàn)有的引力理論，無法解釋為何銀河系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度遠超理論預(yù)測值。如果銀河系內(nèi)沒有額外的質(zhì)量，那么銀河系自身的引力還不足以束縛住星系外側(cè)超強的離心力，這會導(dǎo)致整個星系分崩離析。

所以就預(yù)言，銀河系內(nèi)一定存在一種看不見的額外物質(zhì)，而這就是后來的暗物質(zhì)。

如今，關(guān)于暗物質(zhì)最有利的證據(jù)主要集中在大尺度下的引力透鏡效應(yīng)中。

最典型的就是子彈星系團的引力透鏡。

子彈星系團是由船底座的兩個碰撞星系組成。如果不引入暗物質(zhì)，按照這兩個星系的質(zhì)量計算，不可能出現(xiàn)如此顯著的引力透鏡效應(yīng)，所以天文學(xué)家根據(jù)引力透鏡效應(yīng)就能反推出暗物質(zhì)的分布情況。

其中粉紅色部分是正常物質(zhì)發(fā)出的X射線，而藍色部分則是通過引力透鏡推算出的暗物質(zhì)分布。

子彈星系團也是目前證明暗物質(zhì)存在的最好證據(jù)。

如今我們通過大量的引力透鏡效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的分布基本上是團狀的，分布極不均勻。

這一點就和暗能量完全不同，暗能量在宇宙中的分布是十分均勻的。況且暗能量并不參與萬有引力，反而表現(xiàn)成萬有斥力。

關(guān)于對暗能量的認識，最早還得追溯到廣義相對論中。

廣相的核心就是引力場方程。引力場方程最初是這樣的。

但在1917年，愛因斯坦在求解引力場方程時發(fā)現(xiàn)，其計算的結(jié)果表明宇宙是動態(tài)的，宇宙要么坍縮，要么膨脹。

但那個年代的物理學(xué)家?guī)缀醵颊J為宇宙是靜態(tài)有限的。很難接受動態(tài)宇宙的觀念。所以愛因斯坦就在引力場方程加入了一個常數(shù)，以避免引力場方程全是動態(tài)宇宙的計算結(jié)果。

這個常數(shù)就是著名的宇宙學(xué)常數(shù)Λ，其實在引力場方程中加入宇宙學(xué)常數(shù)后，并不是說，引力場方程計算出的結(jié)果肯定就是靜態(tài)宇宙。而是起碼有了一個靜態(tài)宇宙的解。

可能有人會覺得，引力場方程是對引力現(xiàn)象的歸納，是對標(biāo)自然現(xiàn)象的，方程中怎么能順便加個東西呢，這樣一來，方程計算的結(jié)果還正確嗎。

其實在物理方程中加常數(shù)是十分常規(guī)的操作。比如庫侖定律中的庫侖常數(shù)K和萬有引力定律中的引力常數(shù)G。

在引力公式中，如果不加常數(shù)G，F(xiàn)＝Mm/R2雖然也能定量分析出引力和物體質(zhì)量與距離之間的關(guān)系。

但是這樣計算出的數(shù)值實在太大，無法和其他物理量對應(yīng)上，所以就需要用一個常數(shù)抵消數(shù)量級上的差距。

在愛因斯坦的引力場方程中，加入宇宙常數(shù)也是為了和靜態(tài)宇宙的理念對應(yīng)上。

但是到了1924年，哈勃發(fā)現(xiàn)大部分星系都在遠離銀河系，距離我們越遠的星系，其退行速度越快，這表明宇宙正在膨脹。

起初愛因斯坦并不愿意相信宇宙正在膨脹的事實，后面他還親自跑到天文臺實地觀測，才不得不放棄自己的看法，并于1931年承認，在引力場方程中加入宇宙學(xué)常數(shù)，是他人生中最大的錯誤。

之后，愛因斯坦在引力場方程中移除了宇宙學(xué)常數(shù)。

宇宙學(xué)常數(shù)的復(fù)活要到1998年，因為就在這一年，天文學(xué)家捕獲到了1a型超新星爆發(fā)的光譜線，通過對紅移量的分析發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹。

而這一發(fā)現(xiàn)不僅預(yù)示著宇宙學(xué)常數(shù)的復(fù)活，也預(yù)示著暗能量的發(fā)現(xiàn)。之后，發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的這三位物理學(xué)家也獲得了2011年的物理學(xué)諾獎。

為什么宇宙加速膨脹會讓宇宙學(xué)常數(shù)復(fù)活呢，這又和暗能量有什么關(guān)系？

其實在1998年之前，天文學(xué)家雖然知道宇宙正在膨脹，但普遍認為這種膨脹是由宇宙大爆炸的余威推動的，是一種減速膨脹，隨后在引力的作用下，宇宙會停止膨脹，然后開始收縮，最后整個宇宙又會坍縮到奇點上。

而98年發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的現(xiàn)象推翻了之前所有的猜想。當(dāng)時有人甚至都懷疑引力場方程的正確性。

在此前，減速膨脹的宇宙模型中，由于不存在斥力的概念，所以引力場方程對減速膨脹的解釋十分完美。

我們可以將越來越慢的膨脹理解成大爆炸的余威，大爆炸導(dǎo)致宇宙超光速膨脹，在引力的作用下，膨脹速度不斷降低，之后宇宙開始收縮！

但隨后面對宇宙加速膨脹的事實，讓引力場方程難以解釋。

所以從當(dāng)時開始就流行廣義相對論可能是局限性理論的觀點。

局限性理論就是給廣義相對論降級，不再認為廣義相對論是宇宙中普適的引力理論，而是和牛頓引力理論一樣，是一種局限性理論。牛頓的引力理論適用于恒星系內(nèi)弱場，小尺度的引力現(xiàn)象。

而廣義相對論不僅兼容牛頓引力理論，還適用于黑洞，中子星那種強場的引力現(xiàn)象。而對于超宏觀尺度下的加速膨脹現(xiàn)象，則需要新的理論解釋，比如斥力理論。

但是這種觀點很難被認可，如果引力和斥力都存在與宇宙，那斥力和引力的分界線在哪？為什么超宏觀尺度就是斥力，而不是引力呢？

目前為止，物理學(xué)家雖然已經(jīng)接受了斥力的觀念，但是認為斥力和引力是同時存在于宇宙之中，沒有尺度上的界限。之所以超宏觀尺度會表現(xiàn)成斥力，則有另一套說法。

這就是暗能量假說，并認為宇宙中均勻分布著暗能量，暗能量會表現(xiàn)出斥力作用，推動著宇宙加速膨脹。

并且，暗能量可以在宇宙學(xué)常數(shù)中找到支持。

在引力場方程中，宇宙學(xué)常數(shù)的正值代表著斥力作用。

將宇宙學(xué)常數(shù)放到愛因斯坦的引力場方程中，可能很多人都看不懂。如果能換個公式就會簡單很多。

通過計算，將宇宙學(xué)常數(shù)放到牛頓引力方程中，會得到這樣一個公式。

這個公式看起來就簡單多了，F(xiàn)代表物體受到的力，G是萬有引力常數(shù)，M是物體的質(zhì)量，Λ是宇宙學(xué)常數(shù)，R代表物體之間的距離。

其中負號表示的是引力作用，加號則是斥力作用。

所以在加入宇宙學(xué)常數(shù)的引力公式中，物體同時會受到引力和斥力的雙重作用。

負號項代表引力，加號項代表斥力。如果引力項大于斥力項則物體表現(xiàn)成引力作用，如果斥力項大于引力項，則物體表現(xiàn)成斥力作用。

但是你會發(fā)現(xiàn)，在這個公式中，除了距離R是變量，其他都是常量。所以物體到底呈現(xiàn)出引力還是斥力現(xiàn)象都取決于距離的大小。

在引力項中，距離R是以平方的形式處于分母中，而斥力項的距離R卻處于分子中。

另外，引力項的常數(shù)GM遠大于斥力項的常數(shù)值。

所以一開始，即便距離越來越遠，R越來越大，導(dǎo)致引力項越來越小，但整體數(shù)值還是大于斥力項。畢竟一開始引力項的常數(shù)值就很大。由于引力項的R是平方，所以隨著距離的變大，其引力項變小的速度更快。直到達到某個距離上的平衡點，斥力將徹底戰(zhàn)勝引力。

一般來說，在星系尺度上，引力還是占據(jù)主導(dǎo)，但是當(dāng)空間尺度超過數(shù)千萬光年，斥力就開始占據(jù)主導(dǎo)。

這就解釋了很多人的一個困惑，我們都知道宇宙正在加速膨脹，但是距離地球最近的仙女座星系卻在以110公里/每秒的速度接近銀河系，預(yù)計45億年之后會和銀河系碰撞。

其實這并不矛盾，因為銀河系距離仙女座星系也就250萬光年，在這個尺度上，引力還是占據(jù)主導(dǎo)的，如果再遠一點，或許就是斥力占主導(dǎo)了。

目前學(xué)界主流看法認為，在引力場方程中加入宇宙學(xué)常數(shù)后，超宏觀尺度下的斥力作用正是由暗能量主導(dǎo)的，這也是宇宙加速膨脹的推動力。

但目前，宇宙學(xué)常數(shù)面臨一個很大的問題。這就是引入宇宙學(xué)常數(shù)后的引力場方程計算的真空能量 與量子力學(xué)計算的真空能量的數(shù)值嚴(yán)重不符。

這句話聽起來有點繞。其實道理很簡單，也就是說，宏觀計算結(jié)果和微觀計算結(jié)果嚴(yán)重不符。

事實上，在空無一物的真空中，能量并不為零，因為真空中總會平白無故地冒出“虛粒子對”（反物質(zhì)），這些虛粒子的能量是從真空中借的，然后很快就會湮滅還給真空，宇宙中所有的空間都會不斷冒出虛粒子，這就導(dǎo)致真空的最低能量并不為零，這就是真空零點能。

而宇宙中真空總能量就可以通過真空零點能做一個積分，也就是把宇宙中所有的真空零點能加起來，這是從微觀尺度計算的真空能量。

但是在宏觀尺度上，引入宇宙學(xué)常數(shù)的引力場方程也能計算出宇宙的真空能量。但是計算出的真空能量和量子力學(xué)的結(jié)果相差了120個數(shù)量級。這種差距就相當(dāng)用兩個理論分別計算一個人的體重。其中一個計算結(jié)果是100斤，另一個結(jié)果100萬億億……噸。現(xiàn)在也不知道誰對誰錯，或許兩個都是錯的，或許其中一個是對的，另一個是錯的。更或許兩者都對，但其中忽略了一個很重要的隱變量。

目前越來越多的天文數(shù)據(jù)表明，貌似宇宙學(xué)常數(shù)有問題，宇宙學(xué)常數(shù)可能并不是常數(shù)，而是一個變量。如果的確如此，就會引申出動態(tài)暗能量假說。

在動態(tài)暗能量假說中，暗能量會隨著時間的推移變得越來越強，可能在遙遠的未來，100米以上的尺度都是斥力，最后引力會被壓縮到基本粒子以內(nèi)的尺度才有效，基本粒子以外的尺度都是暗能量主導(dǎo)的斥力。

這就是動態(tài)暗能量理論預(yù)測的大撕裂時代。在大撕裂時代中，宇宙中所有的物質(zhì)都表現(xiàn)成斥力。太陽，人體，細胞，分子，原子核都會在斥力的作用下分裂成基本粒子。宇宙中除了基本粒子，不再存在任何形式的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

基本粒子在斥力的作用下彼此遠離，基本粒子之間的距離會變得無限大，宇宙也將變得無限大。