，如果沒有暗物質(zhì)就不會形成星系、恒星和行星
，也就更談不上今天的人類了
。宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星
、星系
、星系團、巨洞以及星系長城
。而在大尺度上能過促使物質(zhì)運動的力就只有引力了
。但是均勻分布的物質(zhì)不會產(chǎn)生引力，因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落
，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下痕跡
。然而普通物質(zhì)不可能通過其自身的漲落形成實質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質(zhì)還沒有從輻射中脫耦出來
。另一方面
，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍
。在普通物質(zhì)脫耦之后
，已經(jīng)成團的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì)，進而形成了我們現(xiàn)在觀測到的結(jié)構(gòu)
。因此這需要一個初始的漲落
，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)
，由于它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名
。在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最后一件重要的事情
。對于先前提到的小擾動（漲落）
，為了預(yù)言其在不同波長上的引力效應(yīng)，小擾動譜必須具有特殊的形態(tài)
。為此
，最初的密度漲落應(yīng)該是標度無關(guān)的。也就是說
，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和
，那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的。暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動力學出發(fā)機制來形成這樣一個標度無關(guān)的小擾動譜（其譜指數(shù)n=1）
。WMAP的觀測結(jié)果證實了這一預(yù)言
，其觀測到的結(jié)果為n=0.99±0.04
。但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙?div id="d48novz" class="flower left">
，F(xiàn)在已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞
。但是它們對暗物質(zhì)總量的貢獻是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚
。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者
，由其導致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)
。 最被看好的暗物質(zhì)候選者 長久以來
，最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說中的基本暗性粒子，它具有壽命長
、溫度低
、無碰撞的特殊特性。壽命長意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當
，甚至更長
。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團
。無碰撞指的是暗物質(zhì)粒子（與暗物質(zhì)和普通物質(zhì)）的相互作用截面在暗物質(zhì)暈中小的可以忽略不計
。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，并且在暗物質(zhì)暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動
。低溫無碰撞暗物質(zhì)（CCDM）被看好有幾方面的原因
。第一，CCDM的結(jié)構(gòu)形成數(shù)值模擬結(jié)果與觀測相一致
。第二
，作為一個特殊的亞類，弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度
。如果粒子間相互作用很弱
，那么在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處于熱平衡的。之后
，由于湮滅它們開始脫離平衡。根據(jù)其相互作用截面估計
，這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%
。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是
，在一些理論模型中預(yù)言了一些非常有吸引力的候選粒子
。其中一個候選者就是中性子（neutralino），一種超對稱模型中提出的粒子
。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ)
，它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到）
，同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天
，伴隨粒子將都具有相同質(zhì)量
。但是由于在宇宙的早期超對稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺，于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化
。而且
，大部分超對稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變
。但是
，有一種最輕的伴隨粒子（質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級）由于其自身的對稱性避免了衰變的發(fā)生。在最簡單模型中
，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者
。如果暗物質(zhì)是由中性子組成的，那么當?shù)厍虼┻^太陽附近的暗物質(zhì)時
，地下的探測器就能探測到這些粒子
。另外有一點必須注意，這一探測并不能說明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的?div id="d48novz" class="flower left">
，F(xiàn)在的實驗還無法確定WIMP究竟是占了暗物質(zhì)的大部分還是僅僅只占一小部分
。另一個候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質(zhì)量在1μeV的數(shù)量級上）
，它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用
。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處于熱平衡狀態(tài)
，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度
。在宇宙中，軸子處于低溫玻色子凝聚狀態(tài)
，現(xiàn)在已經(jīng)建造了軸子探測器
，探測工作也正在進行。暗物質(zhì)和暗能量是世紀謎題 21世紀初科學最大的謎是暗物質(zhì)和暗能量
。它們的存在
，向全世界年輕的科學家提出了挑戰(zhàn)。暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外
，人們目前知道它的存在
，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同
。在宇宙中
，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。暗能量更是奇怪
，以人類已知的核反應(yīng)為例
，反應(yīng)前后的物質(zhì)有少量的質(zhì)量差
，這個差異轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質(zhì)的質(zhì)量全部消失
，完全轉(zhuǎn)化為能量
。宇宙中的暗能量是已知物質(zhì)能量的14倍以上。宇宙之外可能有很多宇宙 圍繞暗物質(zhì)和暗能量
，李政道闡述了他最近發(fā)表文章探討的觀點
。他提出“天外有天”，指出“因為暗能量
，我們的宇宙之外可能有很多的宇宙”
，“我們的宇宙在加速地膨脹”且“核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連”。暗物質(zhì)是誰最先發(fā)現(xiàn)的呢
？1915年
，愛因斯坦根據(jù)他的相對論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。他認為
，宇宙是有限封閉的
。如果是這樣，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達到每立方厘米5×10的負30次方克
。但是
，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍
。也就是說
，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了，科學家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”
。一些星體演化到一定階段
，溫度降得很低，已經(jīng)不能再輸出任何可以觀測的電磁信號
，不可能被直接觀測到
，這樣的星體就會表現(xiàn)為暗物質(zhì)。這類暗物質(zhì)可以稱為重子物質(zhì)的暗物質(zhì)
。 還有另一類暗物質(zhì)
，它的構(gòu)成成分是一些帶中性的有靜止質(zhì)量的穩(wěn)定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質(zhì)
，不會放出或吸收電磁信號
。這類暗物質(zhì)可以稱為非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。Abell 2390星系團(上半圖)和MS2137.3-2353星系團(下半圖)
，距離我們約有20億光年遠。上圖右半方的影像
，是哈勃太空望遠鏡所拍攝的假色照片
，而相對應(yīng)的左半方影像
，是由錢卓拉X射線觀測站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠鏡的影像中
，可以看到數(shù)量眾多的星系
，但在X射線影像里，這些星系的蹤影卻無處可尋
，只見到一團溫度有數(shù)百萬度
，而且會輻射出X射線的熾熱星系團云氣。除了表面上的差異外
，這些觀測其實還含有更重大的謎團呢
。因為右方影像中星系的總質(zhì)量加上左方云氣的質(zhì)量，它們所產(chǎn)生的重力
，并不足以讓這團熾熱云氣乖乖地留在星系團之內(nèi)
。事實上再怎么細算，這些質(zhì)量只有“必要質(zhì)量”的百分之十三而已
！在右方哈伯望遠鏡的深場影像里
，重力透鏡效應(yīng)影像也指出造成這些幻像所需要的質(zhì)量，大于哈勃望遠鏡和錢卓拉觀測站所直接看到的
。天文學家認為
，星系團內(nèi)大部分的物質(zhì)，是連這些靈敏的太空望遠鏡也看不到的“ 暗物質(zhì)”
。1930年初
，瑞士天文學家茲威基發(fā)表了一個驚人結(jié)果：在星系團中，看得見的星系只占總質(zhì)量的1/300以下
，而99%以上的質(zhì)量是看不見的
。不過，茲威基的結(jié)果許多人并不相信
。直到1978年才出現(xiàn)第一個令人信服的證據(jù)
，這就是測量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動的速度。我們知道
，根據(jù)人造衛(wèi)星運行的速度和高度
，就可以測出地球的總質(zhì)量。根據(jù)地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離
，就可以測出太陽的總質(zhì)量
。同理，根據(jù)物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離
，就可以估算出星系范圍內(nèi)的總質(zhì)量
。這樣計算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，星系的總質(zhì)量遠大于星系中可見星體的質(zhì)量總和
。結(jié)論似乎只能是：星系里必有看不見的暗物質(zhì)
。那么
，暗物質(zhì)有多少呢？根據(jù)推算
，暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的20—30%才合適
。天文學的觀測表明，宇宙中有大量的暗物質(zhì)
，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)
。據(jù)天文學觀測估計，宇宙的總質(zhì)量中
，重子物質(zhì)約占2%
，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質(zhì)
、星體
、恒星、星團
、星云
、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%
，98%的物質(zhì)還沒有被直接觀測到
。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當中，冷暗物質(zhì)約占70%
，熱暗物質(zhì)約占30%
。 標準模型給出的62種粒子中
，能夠穩(wěn)定地獨立存在的粒子只有12種
，它們是電子、正電子
、質(zhì)子
、反質(zhì)子、光子
、3種中微子
、3種反中微子和引力子。這12種穩(wěn)定粒子中
，電子
、正電子、質(zhì)子
、反質(zhì)子是帶電的
，不能是暗物質(zhì)粒子，光子和引力子的靜止質(zhì)量是零，也不能是暗物質(zhì)粒子
。因此
，在標準模型給出的62種粒子中，有可能是暗物質(zhì)粒子的只有3種中微子和3種反中微子
。20世紀80年代初期，美國天文學家艾倫森發(fā)現(xiàn)
，距我們30萬光年的天龍座矮星系中
，許多碳星(巨大的紅星)周圍存在著穩(wěn)定的暗物質(zhì)，即這些暗物質(zhì)受到嚴格的束縛
。高能熱粒子和能量適中的暖粒子是難以束縛住的
，它們會到處亂竄，只有運行很慢的“冷粒子”才能束縛住
。物理學家認為那是“軸子”
，它是一種非常穩(wěn)定的冷“微子，質(zhì)量只有電子質(zhì)量的數(shù)百萬分之一
。這就是暗物質(zhì)的軸子模型
。軸子模型是否成立，最終得由實驗裁決
。最近
，還有人提出，暗物質(zhì)可能是一種稱做“宇宙弦”的弦狀物質(zhì)
，它產(chǎn)生于大爆炸后的一秒期間內(nèi)
，直徑為1萬億億億分之一厘米，質(zhì)量密度大得驚人
，每寸長約1億億噸
。這種理論是否成立，同樣有待科學家進一步研究
。為探索暗物質(zhì)的秘密
，世界各國的粒子物理學家正在這個領(lǐng)域努力工作，相信揭開暗物質(zhì)神秘面紗的那一天不會太遙遠了
。在引入宇宙暴漲理論之后
，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的（這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開放的）
。與此同時
，宇宙學家們也傾向于一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)
，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)
。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質(zhì)密度的估計上存在著比較大的誤差
，但是這一誤差還沒有大到使物質(zhì)的總量達到臨界值
，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。當意識到?jīng)]有足夠的物質(zhì)能來解釋宇宙的結(jié)構(gòu)及其特性時
，暗能量出現(xiàn)了
。暗能量和暗物質(zhì)的唯一共同點是它們既不發(fā)光也不吸收光。從微觀上講
，它們的組成是完全不同的
。更重要的是，像普通的物質(zhì)一樣
，暗物質(zhì)是引力自吸引的
，而且與普通物質(zhì)成團并形成星系。而暗能量是引力自相斥的
，并且在宇宙中幾乎均勻的分布
。所以，在統(tǒng)計星系的能量時會遺漏暗能量
。因此
，暗能量可以解釋觀測到的物質(zhì)密度和由暴漲理論預(yù)言的臨界密度之間70-80%的差異。之后
，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發(fā)現(xiàn)
，宇宙正在加速膨脹。由此
，暗能量占主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型
。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測也獨立的證實了暗能量的存在
，并且使它成為了標準模型的一部分
。暗能量同時也改變了我們對暗物質(zhì)在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論
，在一個僅含有物質(zhì)的宇宙中
，物質(zhì)密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來
。加上暗能量的話
，情況就完全不同了。首先
，總能量密度（物質(zhì)能量密度與暗能量密度之和）決定著宇宙的幾何特性
。其次，宇宙已經(jīng)從物質(zhì)占主導的時期過渡到了暗能量占主導的時期
。大約在“大爆炸”之后的幾十億年中暗物質(zhì)占了總能量密度的主導地位
，但是這已成為了過去?div id="d48novz" class="flower left">
，F(xiàn)在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正時宇宙加速膨脹
，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態(tài)
，否則這種加速膨脹態(tài)勢將持續(xù)下去。暗物質(zhì)的蹤跡 暗物質(zhì)是相對可見物質(zhì)來說的
。所謂可見物質(zhì)
，除發(fā)射可見光的物質(zhì)外，還包括輻射紅外線等其他電磁波的物質(zhì)
。雖然宇宙中的可見物質(zhì)大部分不能用肉眼直接看到
，但探測它們發(fā)出的各種電磁波就可以知道它們的存在。暗物質(zhì)不輻射電磁波
，但有質(zhì)量?div id="jfovm50" class="index-wrap">？茖W家為什么會提出“暗物質(zhì)”這個概念
？宇宙中有沒有暗物質(zhì)？ 在物理學中
，把狀態(tài)變化的“轉(zhuǎn)折點”成為“臨界點”
，比如水變成冰，溫度臨界值（或者說“臨界點”）為0℃
。宇宙學的研究認為
，宇宙中物質(zhì)的平均密度，與決定宇宙是膨脹還是收縮的臨界值
，相差不會超過百萬分之一
。可是
，宇宙中發(fā)可見光的恒星和星系的物質(zhì)總量不到臨界值的1%
，加上輻射其他電磁波的天體，如行星
、白矮星和黑洞等
，最多也只有臨界值的10%。現(xiàn)已知道
，宇宙的大結(jié)構(gòu)呈泡沫狀
，星系聚集成“星系長城”，即泡沫的連接纖維
，而纖維之間是巨大的“宇宙空洞”
，即大泡泡，直徑達1~3億光年
。如果沒有一種看不見的暗物質(zhì)的附加引力“幫忙”
，這么大的空洞是不能維持的
，就像屋頂和橋梁的跨度過大不能支持一樣。我們的宇宙盡管在膨脹
，但高速運動中的個星系并不散開
，如果僅有可見物質(zhì)，它們的引力是不足以把各星系維持在一起的
。我們知道
，太陽系的質(zhì)量，99.86%集中在太陽系的中心即太陽上
，因此
，離太陽近的行星受到太陽的引力，比離太陽遠的行星大
，因此
，離太陽近的行星繞太陽運行的速度，比離太陽遠的行星快
，以便產(chǎn)生更大的離心加速度（離心力）來平衡較大的太陽引力
。但在星系中心，雖然也集中了更多的恒星
，還有質(zhì)量巨大的黑洞
