科学仪器探测不到暗物质和暗能量 那如何证明它存在？

伤我心太深

我们不知道暗能量是什么，那我们为何确信它存在呢？暗物质和暗能量无法用科学仪器探测到，那么我们又如何证明这个不存在的科学理论呢？如今科学家试图用各种方法证明暗物质和暗能量的存在，但是并没有什么卵用。。。。

我曾经讲过，天文学家是如何知道暗物质的存在的。即使他们看不到，还是可以通过引力对光线的影响检测到它们。暗物质占宇宙总量的27%，暗能量占宇宙总量的68%。问题再次出现，天文学家还不知道它是什么，只是相信它应该存在。所以宇宙的95%仍然是个谜，我们根本不知道它是什么。

[size=0.9em]现在让我们来关注暗能量。上世纪90年代，天文学家想要通过计算获知宇宙是开放的，还是封闭的。换句话说，他们想计算出宇宙现在的扩张速度，并与宇宙之前的扩张速度进行比较。为了回答这个问题，他们专门搜索了一种特殊类型的超新星——1A型超新星。

2005ke 是一颗 1a 型超新星。来源：NASA/Swift/S. Immler

大多数超新星都是超大质量的恒星，但1A型超新星却是双星系统中的白矮星。白矮星会从它的伴星那里吸取物质，当它的质量达到太阳的1.6倍后，就爆发了。奇妙的是，通常所有这类超新星爆发释放出的能量都是基本相等的。所以如果你测出这类超新星的亮度，就会粗略地知道它和我们的距离。

天文学家猜想宇宙的扩张会变慢。但是问题是，这种变慢的速度有多快？它会慢到停止然后向回收缩吗？他们发现了什么呢？

正如伊萨克·阿西莫夫的名言，“科学中有了新发现后最令人兴奋的言辞，不是‘找到了’，而是‘真有趣’。”科学家非但没有发现宇宙扩张变慢，反而发现它在加速。这就好比想计算出苹果落地有多快，结果却发现它飞向了天空，而且飞得越来越快。

这一神奇的发现获得了诺贝尔奖，天文学家用了许多方法，想要验证这一让人费解的现象。NASA 的威尔金森微波各向异性探测器研究宇宙微波背景辐射7年后发现，暗能量占到了宇宙总量的72.8%。ESA 的普朗克探测器作了更为精细的分析，最后将这个数字锁定为68.3%。

授课中的爱因斯坦。

天文学家知道暗能量的存在。有许多证据表明是这样。但是就像暗物质那样，他们却没有任何确凿的线索来指出它究竟是什么。爱因斯坦有个观点，他称之为宇宙常量。这是一种在理论上让实际处于扩张或收缩中的宇宙能够维持静态的方式。当天文学家指出宇宙实际上是在扩张时，他马上抛弃了这个观点。

嗨，别急爱因斯坦。也许是空间自身的一种特性，让它发生了扩张。空间越多，这种推动的压力就会越多。也可能是因为真空中虚拟粒子的不停出现和湮没。

另一种可能性，是一种被称为“第五元素”的现象，也就是一种遍布整个宇宙的负能量场。是的，这听起来有点让人难以置信，但是它可以解释这种令人讨厌的力量。还有其他理论，而它们听起来会更奇特。总之，那是一种物理学家现在还无法想像的东西。

所以，我们是怎么知道暗能量存在的？就是因为遥远的超新星之间的距离，远远大于理论上宇宙的扩张如果在减速的话，它们之间应该有的距离。没有人知道它们是什么，这是一个谜，但是这个谜并没有错。实际上，至少对于我来说，这是太空和天文学中的一件最令人激动的事情。

你觉得暗能量是什么呢？

如何感知暗物质？

人类的仪器无法探测到暗物质，我们又怎么知道它存在？

把宇宙想像成一个馅饼，把它切成几片后，最大的一片是暗能量，约占68%，这是一种使宇宙加速膨胀的神秘力量。27%是暗物质，这种神秘的物质存在于星系中，而且只通过引力发生作用。其余不足5%是普通物质，也就是构成恒星、行星、气体、尘埃和人类的那些东西。

之所以叫这种神秘物质为暗物质，是因为它不会与普通物质发生任何方式的作用。它不会与普通物质碰撞，也不会从普通物质中吸收能量。我们通过任何仪器都无法看到或检测到它。我们知道它存在，是因为可以看到它产生的引力效应。

如果我们不知道它是什么，也无法检测到它，那怎么知道它确实存在？会不会它实际上不存在？我们连它是什么都不知道，又是怎么知道它存在的？

Fritz Zwicky. 图片来源：Fritz Zwicky 基金会网站

暗物质理论是1930年代由 Fritz Zwicky 提出的，目的是为了解释星系团的运动，但是针对暗物质的现代计算直到1960年代和70年代才由 Ver Rubin 进行。她计算出星系的自转比它们的预计转速要快。保持这种转速足以让它们解体，就象旋转木马把孩子甩出去一样。

Rubin 据此想像，每个星系内都有大量的暗物质，暗物质产生的引力使星系保持存在。但是却没有办法探测到这种东西，所以天文学家假设了另外的模型。也许引力在极大的距离上发生作用的方式并不如我们以为的那样。

但是在随后几年中，天文学家在检测暗物质方面越来越在行，只需通过光线穿越宇宙时引力对其产生的效应便可以获知。当光线穿越一个含有暗物质的区域时，它前进的方向就会被引力扭曲，从而无法保持直线前进。而它弯曲的程度与光线穿越区域所含暗物质的多少有关。

奇妙的是，天文学家可以通过光线被扭曲的程度来描绘天空区域内暗物质的分布情况，从而得出导致这种结果需要多少暗物质。

大型强子对撞机。来源：纽约时报

这种技术天文学家已经运用得非常熟练，他们发现了许多异常情况，有时候，星系和它们包含的暗物质可能会分离。或者暗物质星系中的气体太少，不足以形成恒星。它们成了只有暗物质的巨型球体。天文学家甚至可以把暗物质当成引力透镜，来研究更为遥远的天体。他们不知道暗物质是什么，但是却可以把它们当望远镜来用。

我们从来没有俘获过一个暗物质粒子，也从没在实验室中研究过它们。世上最大的强子对撞机接下去的任务就是要试着生成具有我们所知暗物质特点的粒子。即使强子对撞机造不出暗物质，也会帮助我们收窄当前理论的范围，帮助物理学家更接近自然之谜的真相。

这就是科学工作的方式。有人注意到不寻常的情况，然后人们提出理论来解释它。若理论能够很好地符合现实那就被认为是正确的。我们生活在一个现代世界，数百年以来，已经有大量的科学理论被提出：微生物、引力、进化，等等。但是暗物质仍然是一个谜。如果我们运气好，在我们的有生之年就能看到它被解开。也有可能根本没有暗物质，那我们就会从中学到关于宇宙的全新东西。

文/Fraser Cain
译/老孙