一口氣看懂：暗物質，暗能量，宇宙學常數！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，暗物質具有引力作用，而暗能量是斥力作用。

如果現有宇宙學模型的預測是對的話，那暗能量會占據宇宙總能量的68.3%，暗物質則為26.8%，而我們看得見摸得著的正常物質只占據4.9%（數據存在誤差）。所以對暗能量的研究，將是揭開宇宙神秘面紗的核心環節。

不管是暗物質還是暗能量，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，暗物質雖然不參與電磁作用，但好在參與引力。

暗物質最早是由荷蘭物理學家—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現，按照現有的引力理論，無法解釋為何銀河系外側的旋轉速度遠超理論預測值。如果銀河系內沒有額外的質量，那么銀河系自身的引力還不足以束縛住星系外側超強的離心力，這會導致整個星系分崩離析。

所以就預言，銀河系內一定存在一種看不見的額外物質，而這就是后來的暗物質。

如今，關于暗物質最有利的證據主要集中在大尺度下的引力透鏡效應中。

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，按照這兩個星系的質量計算，不可能出現如此顯著的引力透鏡效應，所以天文學家根據引力透鏡效應就能反推出暗物質的分布情況。

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

子彈星系團也是目前證明暗物質存在的最好證據。

如今我們通過大量的引力透鏡效應，發現暗物質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，反而表現成萬有斥力。

關于對暗能量的認識，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現，其計算的結果表明宇宙是動態的，宇宙要么坍縮，要么膨脹。

但那個年代的物理學家幾乎都認為宇宙是靜態有限的。很難接受動態宇宙的觀念。所以愛因斯坦就在引力場方程加入了一個常數，以避免引力場方程全是動態宇宙的計算結果。

這個常數就是著名的宇宙學常數Λ，其實在引力場方程中加入宇宙學常數后，并不是說，引力場方程計算出的結果肯定就是靜態宇宙。而是起碼有了一個靜態宇宙的解。

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

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

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

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

在愛因斯坦的引力場方程中，加入宇宙常數也是為了和靜態宇宙的理念對應上。

但是到了1924年，哈勃發現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常數，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常數。

宇宙學常數的復活要到1998年，因為就在這一年，天文學家捕獲到了1a型超新星爆發的光譜線，通過對紅移量的分析發現，宇宙正在加速膨脹。

而這一發現不僅預示著宇宙學常數的復活，也預示著暗能量的發現。之后，發現宇宙正在加速膨脹的這三位物理學家也獲得了2011年的物理學諾獎。

為什么宇宙加速膨脹會讓宇宙學常數復活呢，這又和暗能量有什么關系？

其實在1998年之前，天文學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年發現宇宙正在加速膨脹的現象推翻了之前所有的猜想。當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弱場，小尺度的引力現象。

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象。而對于超宏觀尺度下的加速膨脹現象，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，物理學家雖然已經接受了斥力的觀念，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常數中找到支持。

在引力場方程中，宇宙學常數的正值代表著斥力作用。

將宇宙學常數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，將宇宙學常數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代表物體受到的力，G是萬有引力常數，M是物體的質量，Λ是宇宙學常數，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。

所以在加入宇宙學常數的引力公式中，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成引力作用，如果斥力項大于引力項，則物體表現成斥力作用。

但是你會發現，在這個公式中，除了距離R是變量，其他都是常量。所以物體到底呈現出引力還是斥力現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GM遠大于斥力項的常數值。

所以一開始，即便距離越來越遠，R越來越大，導致引力項越來越小，但整體數值還是大于斥力項。畢竟一開始引力項的常數值就很大。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，斥力將徹底戰勝引力。

一般來說，在星系尺度上，引力還是占據主導，但是當空間尺度超過數千萬光年，斥力就開始占據主導。

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，引力還是占據主導的，如果再遠一點，或許就是斥力占主導了。

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

但目前，宇宙學常數面臨一個很大的問題。這就是引入宇宙學常數后的引力場方程計算的真空能量 與量子力學計算的真空能量的數值嚴重不符。

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

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），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，引入宇宙學常數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的結果相差了120個數量級。這種差距就相當用兩個理論分別計算一個人的體重。其中一個計算結果是100斤，另一個結果100萬億億……噸。現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據表明，貌似宇宙學常數有問題，宇宙學常數可能并不是常數，而是一個變量。如果的確如此，就會引申出動態暗能量假說。

在動態暗能量假說中，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的尺度才有效，基本粒子以外的尺度都是暗能量主導的斥力。

這就是動態暗能量理論預測的大撕裂時代。在大撕裂時代中，宇宙中所有的物質都表現成斥力。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結構。

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。