暗物質和暗能量是同一種東西嗎？會不會只是同一個現象？

周遭宇宙,我們眼睛所見的往往只是冰山一角。 觀測與理論必須相輔相成。 觀測告訴我們看見了什麼,而理論則幫助我們檢驗這些結果是否符合預期。 當兩者契合時,我們便對宇宙獲得了可靠的理解。 當它們發生衝突時,謎團就會浮現出來了。 要麼有現代的理論並不適用, 要麼有些隱藏的因素尚未被揭示。 在現代宇宙學中,最大的謎團幾乎都指向了兩種看不見的東西——暗物質與暗能量。 它們似乎毫無聯繫,卻有着令人不安的共同點。 我們只能通過它們對星系、空間膨脹等現象的影響間接推測, 卻始終無法在實驗室中直接觀測到。 這便引發了一個更大膽的問題, 暗物質與暗能量究竟是宇宙中彼此獨立的兩股力量, 還是同一個硬幣的兩面? 宇宙中存在着各種各樣的謎題, 但在最大的宇宙尺度上,每一個謎題的本質都是引力。 問題在於,我們自認爲調節了引力體論。 因爲愛因斯坦的廣義相對論不斷地通過檢驗, 無論我們用什麼現象來解釋它, 這個違反直覺的體論預測都與我們觀測的結果相吻合。 我們看到的質量使光線彎曲的程度與愛因斯坦體論預測得完全一致。 從太陽系中被太陽彎曲的星光到巨大的星系、 內星體以及通過引力透鏡作用產生的背景光的星系團。 我們看到引力波的頻率和政府與愛因斯坦體論預測的黑洞合併 和中子星襲擊的引力波頻率和政府是完全一致的。 從引力紅移到輪時攝停效應, 從松心軌道黑洞的靜動到引力時間膨脹等等。 愛因斯坦的成就遠不止如此。 科學家們爲了檢驗廣義相對論所做的一些測試, 從地球上的實驗到太陽系內的觀測, 再到數十億光年外的信號都表明了它在一致條件下是正確的。 當我們將引力體論應用於整個宇宙時, 我們得到了一組方程, 揭示了一種非常重要的關係。 這些方程告訴我們, 如果你知道你的宇宙是由什麼組成的, 廣義相對論就可以預測你的宇宙將如何運行和演化。 你可以用任何你能想象到的東西來構建你的宇宙, 包括普通的物質,輻射和中微子這樣的常規成分。 它們是由標準模型中發現的粒子構成, 以及像黑洞,引力波, 甚至像暗物質和暗能量這樣的假設實理。 這些不同的成分用不同的方式影響着宇宙, 其原因也相當容易體解, 你只需要想象一下很久以前的宇宙, 那個時候很小,很熱,更緻密,更均勻, 並描繪出它將如何隨時間演變, 隨着時間的推移,宇宙將膨脹, 但不同種類的能量在膨脹過程中的表現會有不同的行爲。 例如,隨着宇宙的膨脹, 普通的物質會變得更加稀薄, 物質粒子的數量保持不變, 但其所賺的底積增加,因此其密度下降, 然而它也會產生引力, 這意味着密度略高於平均水平的空間區域, 會優先吸收更多周圍的物質, 而密度略低於平均水平的區域, 則會傾向於將其物質拱手讓給周圍區域。 隨着時間的推移,宇宙不僅會變得更加稀薄, 而且會首先在小尺度上形成緻密的結構, 然後隨着時間的推移, 在更大的尺度上形成緻密的結構。 另一方面,輻射不僅會變得更加稀薄, 而且會隨着宇宙膨脹而損失能量, 正是因爲光子的數量, 例如質子、裝子或電子的數量也是固定的, 因此隨着體積的增加,光子的密度會下降, 但是每個光子的能量也會隨着宇宙的膨脹而降低, 隨着任意兩點之間的距離延長, 穿過宇宙的光子的波長也會延長, 從而導致其能量損失。 當我們觀察宇宙中的星系、星系群和星系團時, 乃至數十億年來形成的龐大宇宙網絡時, 我們可以研究它們的內部特性, 例如其中恆星、氣體和其他形成相對中心距離的移動速度, 它們聚集的特性, 例如在距離任何特定星系一定距離處找到另一個星系的可能性, 它們的質量,根據它們引起的引力效應, 例如引力透鏡效應, 以及構成這些天體的正常物質位置。 當我們這樣做時, 我們會發現,我們觀察到的物質, 所有正常物質、物色, 以及宇宙中應該存在的所有其他標準模型粒子, 根本不足以解釋我們所觀察到的現象。 從各個方面來看, 從單個星系的旋轉速度到星系內單個星系的運動, 再到宇宙中星系的大規模聚集, 到宇宙的整體質量密度, 需要存在的質量實在太多了, 大約是正常物質的600倍, 無法僅用正常物質來解釋, 所有這些觀測到的現象都非常非常真實的。 因爲我們在無數物理中都有這種普遍存在的粒子, 而且很少有物理不表現出正常物質與引力效應之間的不匹配。 然而,我們有點幸運, 因爲只要一種成分添加到宇宙中, 就能讓這一切迴歸正軌。 這就是暗物質,如果除了普通物質之外, 再添加以下一種成分, 冷,即在宇宙非常年輕時, 它的運動速度相對於光速而言非常慢, 無碰撞,也就是說它不會與普通物質、 輻射或者其他暗物質粒子發生碰撞,並交換重量。 還有一種是暗,就是說它對輻射和普通物質是不可見的、透明的。 最後一種也就是物質,就是說它的質量非常巨大且具有引力。 所有的這些現象突然之間都和愛因斯坦的引力理論相吻合, 但是突然之間,出現了少數的修正引力陣營的人。 其中著名的觀點就是修正牛頓動力學, 它對許多發生在小宇宙之度幾百萬光年或者更小的現象解釋。 它的效果與暗物質一樣好,甚至更好。 但任何修正都必須包含暗物質與暗能量, 這才使得暗物質成爲我們宇宙中存在最新奇的物質。 然而,還有一種重要的證據我們沒有論證, 宇宙微波背景輻射。 如果你從大爆炸之初模擬宇宙,並添加到我們預期會存在的成分, 你會發現,當宇宙膨脹並冷卻到足以形成中性原子時, 在大爆炸的漁飛中將會出現一種溫度波動模式, 這種模式會以尺度相關的方式出現。 輻射的熱域到今天已經紅移到微波波長。 上面這張圖顯示的波動模式對宇宙的結構極其敏感, 各種波峯和波谷強度的位置告訴我們宇宙的構成, 同時也排除了與數據不符的宇宙模型。 例如,如果你模擬一個只包含正常物質和輻射的宇宙, 你只能得到我們所見的波峯與波谷的大約一半, 而波峯出現角度的尺度太小,溫度波動的幅度也可能大得多。 對於這組觀測,暗物質是必須存在的, 但是除了暗物質之外,還需要其他的物質。 如果你把我們已知的宇宙中所發現的正常物質、 暗物質、輻射、中微子等等都考慮進去, 你會發現,這僅僅佔到我們從宇宙中獲得這組數據所需的 一定存在着另一種額外的能量形式, 而且與暗物質或者普通物質完全不同, 它無法聚集或聚集在一起。 無論這種能量形式是什麼, 它是使得宇宙微波背景輻射與我們觀測的結果相符的必要條件, 它都是必須存在於暗物質之外的。 暗物質與暗能量的行爲截然不同, 但它們都是暗的, 因爲它們無法被任何已知的直接觀測方法觀測到。 我們可以看到它們的間接影響, 暗物質影響着宇宙的結構形成, 暗能量影響着宇宙的膨脹以及其內部的輻射演化, 但它們的行爲方式截然不同。 最大的區別在於,暗物質它們會聚集在一起, 而暗能量則會似乎頻繁地分佈在整個空間中。 隨着宇宙的膨脹,暗物質的密度會越來越低, 但暗能量的密度保持不變, 暗物質會減緩宇宙的膨脹, 而暗能量則會主動地使遙遠的星系在遠離我們時看起來似乎在加速。 你認爲可以建立一種暗物質和暗能量的統一模型? 許多物理學家也在這麼做。 爲什麼要引入一個包含兩個自由參數的星統一分量, 一個用來解釋暗物質效應, 另一個用來解釋暗能量效應, 比引入兩個比子獨立演化的獨立分量是不是更有說服力? 當我們在觀察暗物質和暗能量的相對重要性, 如何隨時間演變時,這個問題變得尤爲深刻。 從宇宙誕生到大約70億年的時間左右,暗物質約佔宇宙能量密度的80%。 在過去大約60億年的時間裏,暗能量逐漸主導了整個宇宙的膨脹, 目前約佔宇宙總能量的70%。 隨着時間的推移,暗能量將會變得越來越重要, 而包括暗物質在內的所有其他形式的能量都會變得微不足道。 如果暗物質和暗能量之間存在某種關聯, 那麼這種關係將變得非常微妙。 鑑於我們目前對自然的理解,物理學家們很難理解, 對於暗物質,你必須添加一種額外的成分, 它能被引力吸引形成一團,但不會碰撞或施加壓力。 對於暗能量,該成分不會聚集或碰撞, 但會施加壓力,它們之間有聯繫嗎? 目前科學界也無法定論。 暗物質形成並維繫着最大的束縛結構, 而暗能量則將這些獨立的結構彼此推開。 大約一千億年後,我們能看到的宇宙就只剩下本性系群, 將只剩下一片空曠的虛無。 在數萬億光年內,看不到任何其他星系。 這就是暗物質與暗能量。