太疯狂了什么是暗物质(什么是暗物质和暗能量?)

在过去一百年中，物理学取得了空前的发展，涌现出很多新想法、新观念，其影响超越了物理领域，深刻改变了人们对世界的认识。

 

本次内容来自系列视频课程“一说万物：现代物理学百年漫谈”第九讲：宇宙9.2 什么是暗物质和暗能量？9.2 一说万物 暗物质暗能量_腾讯视频系列课程介绍20世纪是物理学的世纪在过去一百年中，物理学取得了空前的发展，涌现出很多新想法、新观念，其影响超越了物理领域，深刻改变了人们对世界的认识。

在《一说万物：现代物理学百年漫谈》中，来自香港科技大学的王一老师将给大家分享这些既深刻又有趣的新想法、新观念每期一个话题、一个概念，讲述精巧、富有启发性来一起感受思考的乐趣吧！世界是由原子组成的，费曼认为这是极其重要的一句话。

现在我想问大家的问题是：这个世界真的是由原子组成的吗？或者说，我们通常意义上熟悉的原子、分子，以及原子、分子所组成的物质占宇宙当中物质的多少呢？这个问题很难从理论的角度去回答，但是宇宙学观测已经给了这个问题一个答案：我们通常所熟悉的原子、分子所组成的物质只占宇宙总物质的大约5%，其他25%是一种所谓的“暗物质”，而更多的70%被称为“暗能量”。

今天我们就来聊一聊什么是暗物质，什么是暗能量暗物质我们的太阳系由太阳以及围绕其转动的水星、金星、地球、火星等星体构成水星、金星、地球、火星，我们很容易查到它们离太阳的距离以及它们运行的周期，这样就可以去计算它们运行的速率。

可以看到，随着距离太阳越远，速度越来越小，这告诉我们离太阳越远的物体受到的太阳吸引力就越弱，所以它就不用跑那么快得去做圆周运动了

我们可以画一个旋转曲线图来表示随着离太阳距离的变化，这些行星的旋转速度是怎样越来越慢的但是，我们做一个想象实验：假如有一个恒星系，它的“水星”、“金星”、“地球”、“火星”，一直到“海王星”，它们的速度全都几乎是不变的。

那会是什么样的情景呢？如果我们的引力理论还是牛顿引力，那么这是不是让我们感觉这个星系里有一个幕后的黑手，提供给了越来越远的行星更多的吸引力来让它们的速度保持不变？

当然了，我们的太阳系当中并没有发现这样的幕后黑手，但是在我们的银河系以及几乎所有其他星系当中，我们都发现了这种幕后黑手我们观察一个星系，会发现在离星系中心很近的地方有非常非常多的恒星，离星系中心远的地方恒星就越来越少。

考虑离星系中心足够远的地方，是不是它们的运动速度应该越来越小，但是我们的观测表明，运动速度不一定是越来越小的，也可以几乎不变，甚至有的星系中，会稍稍上升一点，即使稍稍下降一点，下降速度也达不到我们的预期。

在这种情况下，我们想象这个星系当中可能有看不见的幕后黑手这让我想起一道脑筋急转弯，叫做“1+1在什么情况下等于3？” 你们可能都知道，在算错了的情况下等于3，但是科研工作者并不喜欢这个答案，我们可以给大家另一个答案：1+1，再加上一个看不见的“暗”数字1，那么也可以等于3。

什么意思呢？就是说，我们星系当中所有的可见物质加到一起，不能提供足够的引力去维持速度几乎不变的旋转曲线怎么办？我们就再加一些看不见的物质，这种看不见的物质我们叫作“暗物质”

当我们加入了暗物质之后，无论理论上的预期还是数值上的拟合，都可以基本上解决星系的旋转曲线问题当然暗物质从被提出以来，不仅在星系的旋转曲线上，还在星系团、宇宙的大尺度结构，甚至早期宇宙当中发现了各种各样的观测证据。

我们是通过引力去理解暗物质的，它看不见，但是也提供了一份万有引力。我们如果再较真的去问：这个暗物质到底是什么呢？我们还不知道，我们只知道暗物质不是什么。

首先，我们知道暗物质不是能发光的物体，不参与电磁相互作用，并且我们知道，它的引力相互作用和我们熟悉的原子分子物质是差不多的除此之外，我们对暗物质的性质了解非常之少暗物质有可能是原子分子这样的一些粒子，也有可能是所谓的场的能量，甚至有可能是比可见光的波长还微小的微小黑洞。

暗物质到底是什么？现在我们还不清楚，但是暗物质的存在和我们实际上是息息相关的一个让我们很难想象的事情是，如果暗物质真的是由暗物质粒子组成的，那么每一秒钟有可能穿过我们身体的暗物质粒子成千上万，甚至比这个数字还要大好多好多个量级。

但是我们根本感觉不到，因为它们和我们之间除了引力，没有其他的相互作用暗物质也有可能是其他各种各样的候选者，无论它们是什么，其实在早期宇宙中，暗物质为我们的形成做了很多铺垫，因为宇宙大尺度结构的形成、星系的形成都与暗物质有关：首先暗物质会凝结成一个云彩里边的凝结核类似的东西，然后在这个凝结核周围，才形成了宇宙的大尺度结构。

暗能量下面我们讨论另一种更加神奇的存在——暗能量。首先问大家一个问题：引力总是吸引的吗？

考虑在地球上扔一个物体，比如一个小球，那么即使小球处在上升的过程中，这个小球也应该是减速上升如果发射一个火箭，当火箭的推力燃料用完了，只是在通过惯性来飞行，那么火箭的上升也是减速上升也就是说，引力的吸引可以在减速上升中体现出来。

那么我们的宇宙呢？通过前面几讲，我们知道了宇宙在膨胀用定性的观点，我们也可以把宇宙的膨胀理解成像我们从地球上扔东西一样：在宇宙诞生的一刹那，宇宙中所有的东西全都被向外抛出，这些向外抛出的东西，受到里边东西的吸引力，那么宇宙应该是什么样的膨胀呢？应该是减速膨胀。

但是宇宙学观测发现，宇宙正处于一个加速膨胀的状态加速膨胀告诉我们，宇宙里所有的东西，包括可见物质、暗物质，甚至也包括我们待会要提到的别的东西，它们是很嫌弃外边的这些东西的，它们为外边的东西提供的不是引力，反而是推力。

这种推动宇宙加速膨胀的东西，我们甚至可以给它解释成反引力，而提供反引力的这样东西，在天文宇宙学上，被叫做“暗能量”那么，到底什么是暗能量？我们不知道什么是暗能量，在理论上暗能量同样有很多候选者，但是要确定暗能量到底是什么，我们还需要更多的理论理解，以及更多的实验观测。

现在解释暗能量最简单的一个理论是真空能真空当中存在量子涨落，而量子涨落本身也具备一定的能量，这个能量就是真空能真空能可以提供宇宙的加速膨胀，也就是说，它可以当做是暗能量的一个候选者，并且它是迄今为止宇宙当中最好的暗能量的候选者，至少从观测上来讲。

那么暗能量和我们有什么关系呢？暗能量的性质决定了宇宙最终的命运为什么这么讲？周伯通曾经讲过：如果我现在不是世界上最厉害的，武功不是天下第一，有一个办法让我成为武功天下第一：把所有比我厉害的都熬死就可以了。

我们宇宙的命运也是非常相似的宇宙的命运为什么掌握在暗能量的手里呢？因为在宇宙膨胀的时候，所有我们能想象到的其他物质，其密度都是降低的但是假如暗能量是真空能的话，一盒子的真空和膨胀一下、大一点盒子的真空是不是同样的真空？也就是说，真空能的密度随着宇宙的膨胀并不降低。

别人都降低了，把别人都熬死之后，宇宙的命运就掌握在了真空能的手里那么，宇宙将是什么样的命运？如果真空能真能持久不衰并不衰变的话，那么我们的宇宙将处于不断的加速膨胀，而不同的区域将逐渐的彼此失去联系——这样一个孤独终老的状态。

当然，这只是我们对宇宙未来的一个想象，因为真空能只是暗能量的一个候选者，暗能量不同的候选者会给我们带来大撕裂、大挤压等等各种各样宇宙不同的命运要知道我们宇宙的命运到底是什么，我们还需要对暗能量有更多的理解。

导师简介王一：中国科学技术大学本科，中国科学院理论物理研究所博士现任香港科技大学副教授，研究领域为理论宇宙学近期的主要研究兴趣是将物理学中最大的物体和最小的物体联系起来，用早期宇宙的遗迹研究基本粒子物理。

其他研究方向还包括早期宇宙模型、暗能量、暗物质、原初黑洞、引力波等曾获香港大学教育资助委员会青年学者奖、被学生评选为最喜欢的教师系列课程内容第一讲：概述物理学的世纪1.1 一百年前，我们知道什么？ 1.2 更小：从打地鼠到光电效应

1.3 更高：“上帝”的菜单1.4 更快：什么是相对论？1.5 从简单的定律到复杂的宇宙第二讲：现代物理学之光2.1 什么是现代物理学之光？2.2 光是粒子还是波动？2.3 你见过波动着的粒子吗？2.4 什么是波粒二象性？

第三讲：漫游量子世界3.1 从聊斋志异到量子隧穿3.2 不确定性原理：拯救世界的大英雄3.3 非同寻常的测量3.4 薛定谔猫死了吗？第四讲：原子4.1 世界为什么是由原子组成的？4.2 花粉颗粒为什么会跳舞？

4.3 从氢原子到万物第五讲：熵与信息5.1 大吃一斤，什么增加了？5.2 时间箭头：谁偷走了你的时间？5.3 麦克斯韦的妖精教你什么是新闻第六讲：复杂6.1 从“兔子函数”到“三生万物”6.2 三体星人为什么算不对飞星？

6.3 海岸线是无穷长的吗？第七讲：狭义相对论7.1 钟变慢，尺缩短7.2 天涯共此时吗？7.3 时空是一回事吗？7.4 时光能倒流吗？第八讲：广义相对论8.1 等效原理：引力是幻觉吗？8.2 弯曲时空，引力退散

8.3 黑洞：天上一天，地上一年第九讲：宇宙9.1 晚上天会黑，因为宇宙年龄有限9.2 什么是暗物质和暗能量？9.3 终极理论之梦墨子沙龙是以中国先贤“墨子”命名的大型公益性科普论坛，由中国科学技术大学上海研究院主办，中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、浦东新区科学技术协会、中国科学技术协会及浦东新区科技和经济委员会等协办。

墨子是我国古代著名的思想家、科学家，其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现，“墨子沙龙”的建立，旨在传承、发扬科学传统，建设崇尚科学的社会氛围，提升公民科学素养，倡导、弘扬科学精神科普对象为热爱科学、有探索精神和好奇心的普通公众，我们希望能让具有中学及以上学力的公众了解、欣赏到当下全球最尖端的科学进展、科学思想。

关于“墨子沙龙”