怎么理解暗物质和暗能量？

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怎么理解暗物质和暗能量？

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直观来说我们认为宇宙中的物质就是肉眼可见的星系等，但由观测发现的星系旋转曲线，如果依据牛顿万有引力定律其旋转速度,,越靠外的部分，旋转速度应该越慢。但观测却得到了相反的结果，在靠外的部分速度逐渐趋于常数。因此一种合理的猜测就是宇宙中存在很多肉眼不可见不发光的物质，同时根据平均质光比的估计，暗物质不是很少，而是很多，占据了绝大部份。
有一部分的暗物质的存在是可以想象的，因为宇宙中存在黑洞，白矮星，中子星这些不可见的物质，它们具有很大的质量，会贡献其中一部分物质即重子暗物质。但是又根据原初核合成理论，又会对重子暗物质的多少进行限制，根据相关计算，可以发现暗物质中又有绝大部分的非重子暗物质（WIMP）， 非重子暗物质不容易想象，首先因为它不可见，应该不会发生电磁相互作用，中微子是一个有可能的非重子暗物质的候选者。悟空号探测器也是为了寻找非重子暗物质存在的痕迹进行的，目前而言寻找工作还没有很可观的进展。
同时，除了引入暗物质之外，也有另外一些人认为需要修正引力理论。其中比较有名的是MOND（修正牛顿引力理论）理论，和星系旋转曲线符合的很好。当然最近Verlinde从纠缠和引力的演生这个角度解释了暗物质的问题。
关于暗能量，这个问题要更加复杂一些，暗能量的研究起源于我们发现的宇宙加速膨胀现象，根据直观的想象，因为物质间的万有引力作用，膨胀应该是减速的，但是最近天文学的观测结果发现了宇宙是加速膨胀的，因此必然存在着一些斥力的贡献，这就是暗能量问题，暗能量的候选者是宇宙学常数，或者叫做真空能。我们都知道，对于量子谐振子而言，真空基态能并不是0，而是.
因此考虑了量子效应，真空能应该是无穷大的（这是一个量子场论中典型的紫外发散），如果采取动量截断正规化可以大致可以得到它的数值，但是它却和观测值相差倍。即使考虑了超对称，也相差倍，这大致是最差的预言了。另外，如果考虑原来就存在一个宇宙学常数，宇宙学常数效应也很大，并且和真空能抵消成接近于0的数值，那么是什么机制使得它可以如此干净的抵消也不清楚，这就是所谓的宇宙学常数的问题。

进一步了解可以参考：
1 梁灿彬《微分几何与广义相对论》第一卷第十章
2 arXiv:1609.09781
3 http://www.livingreviews.org/lrr-2001-1 sean carroll ,cosmological constant
4 arXiv: 1611.02269v2   Eric Verlinde.

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人们发现漩涡星系的旋转曲线在经过峰值后变得平坦，而不是快速下降。如果承认牛顿引力定律在星系尺度上有效，我们必须接受漩涡星系的远离中心的地方存在大量的物质，它们的质量维持了旋转曲线。这些假设的物质与观测事实矛盾，即星系远离中心的地方并没有观测到大量物质，于是人们认为这下物质是所谓的不发光的物质——暗物质。

暗物质出炉后，部分人想知道它究竟是什么，猜了好多模型，褐矮星（质量小于0.08太阳质量的恒星，无法进行核聚变反应）、黑洞、暗星云，中微子，大质量弱相互作用粒子，轴子等等。部分人抛弃暗物质假设，想修正广义相对论（星系尺度广相退化为牛顿理论了）。

但是，不久更郁闷的事情发生了。某些普遍存在的现象不是抛弃暗物质假设，修正广相就能搞定的。

引力透镜效应。分析星系、星系团甚至暗天体对背景天体的引力透镜效应，获得星系、星系团的质量和质量分布，远超可见物质的质量。如果我们修正广相，那么引力透镜咋解释？星系碰撞。哈勃望远镜拍摄到大量的碰撞中的星系，对它们的研究发现，发光物质的质心和星系的质心不重合。考虑到碰撞过程中星系形状的无规则改变，你说怎么改广相，使得两个质心重合？星系团的稳定性。人们常问，暗物质在哪？答：星系中。可是星系团的稳定性动摇了这个想法。星系团的发光物质的质量远不足以阻止星系的逃逸，暗示暗物质不仅在星系中，也在星系团的非星系的空间，真真切切的暗物质。

暗能量，来自宇宙加速膨胀的观测事实（1998年美国两个超新星巡天组发现的，考虑到超新星模型的扯淡本人比较怀疑）。普通物质、辐射、暗物质都是能产生引力的，经历暴涨后，宇宙先后是辐射主导、物质或暗物质主导，讲道理应该是减速膨胀的。于是，人们只好修改弗里德曼方程，加入一个负压强的常数项，产生排斥。随着物质等日渐稀薄而它不变，一朝超越引力导致宇宙加速膨胀。

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你们这些个同志，答得很多，也答得很好，但是，组织上有组织的安排。
事实上暗物质和能量不存在，人们之所以会误解是因为人们在计算宇宙的时候假设宇宙中所有物质的分布是均衡的，用爱因斯坦的广义相对论去解的时候解出来是近似解。考虑了宇宙的，或者说星与星系与星系网结构以后用相对论解，解出宇宙不同局部膨胀速度不一样，整体加速，和引入暗能量暗物质的结果基本一致。

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暗物质和暗能量应该是现有理论无法解释现有宇宙间的现象的一种假设（主流观点）。暗物质是人类在观测星系时发现把所有已观测到的物质全部加在一起所造成的引力也远远无法达到维持星系的结构，所以科学家就假设有能形成引力但无法观测并且弥漫在星系内部的暗物质。暗能量是人类在早期发现宇宙中的绝大多数星系都在远离我们推测出了现在的大爆炸主流理论，人类根据现有理论推测如果所有物质如果低于一个指标则引力效果将会小于大爆炸产生的初始能量也就是所有物质将会趋向于越来越远，如果高于指标则相反也就是引力最终会将物质再次全部合而为一。天文学家观测宇宙后发现宇宙中的物质质量远远高于这一指标，所以推测将来由于引力效果又回最终合而为一。但是上世纪90年代通过观测发现宇宙中的星系都在比想象中还快的速度远离我们，而且还在加速，所以科学家推测有个我们目前观测不到的暗能量在推动着其他星系远离我们。当然暗物质暗能量是目前的主流观点，还有一种非主流观点则认为我们现有的理论是错误的，或者说现有理论不能套用到整个宇宙，就好像经典力学不能套用在高速微观层面