暗物质和暗能量之间的区别是什么？

rynet

不是学天体的，常常不太分得清楚这两者，有什么联系和区别吗？
-----
本题来自知乎圆桌宇宙那么大，更多讨论欢迎关注。

any941

Warning！图多，流量慎入。
（答主不持有以下多数图片的版权，侵删）

从物理性质上来说，主要是区别，并没有什么联系。只不过凑巧在相近的时间里发现，所以起了两个非常类似的名字。

简单来说，暗物质表现的更像普通可观测到的物质，贡献引力；而暗能量则与日常物质大相径庭，贡献斥力。下面仔细来说一下。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
首先来说暗物质。暗物质的发现来源于1970年左右Vera Rubin对银河系的邻居仙女座大星系（M31）的星系旋转曲线的测量。简单来说就是测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度。得到如下的图。横坐标是距离星系中心的距离，纵坐标速度。学过高中物理的都知道，如果知道星系的质量分布的话，速度与距离的关系可以用开普勒定律很容易的求出来（红线）。补充一下质量分布是怎么求的。原理就是，通过测量光的分布，然后猜测一些星系的年龄和恒星形成率可以算出来一个相对靠谱的光度－质量比。所以求质量分布时假设了所有物质会按一定比例发光。另外也说明，很多人说，不会发光的就是暗物质那么像地球行星这些不会发光只会反射光的是不是也是暗物质。实际情况时，这些物质首先占比相对于恒星很小，其次，这些物质已经基本上考虑进来了。然而测量结果（白线）令人大跌眼镜，在星系外围的绕转速度比计算得到的要快很多。


现在通常会说的是，这说明了星系里有很多质量是看不见的，因为。想要支撑这么大的速度需要更多的质量。当然，明眼人还能想出来其他很多原因。天文学家们也不傻，当时发现了以后，大家立刻想出了很多解释，比如外围的物质因为某些原因并不能有效形成恒星，所以不发光。或者有的人干脆说你这玩意测错了，也许你把背景的一些不属于这个星系的物质测进来了。但是事后的结果越发的“不正常”，最终起名为“暗物质”。比如人们发现这些不会发光的物质的物理性质与能发光的正常物质相差太大。

首先先说人们现在测量暗物质并不需要星系旋转曲线这种“愚蠢”的办法了。一种比较好的办法是通过引力透镜。也就是如下图，光线通过大质量天体时会发生弯曲。

所以，如果一个大质量天体后面正好有个光源，会变成这样：

传说中的爱因斯坦环，这玩意和前景的引力场状态密切相关。有的时候会变成这样，

天文学家仔细看图里哪里有被引力透镜弯曲了的背景星系，就可以判定前景星系的质量分布。

通过类似的观测，人们发现了很多像下面这个比较著名的例子，Bullet Cluster：

蓝色代表暗物质分布，红色是通过X射线观测到的星系团中气体的分布。可以发现，这个星系团实际上是两个星系团正在进行并合的产物。气体在并合过程中由于相互作用，互相穿过对方以后，已经完全变形了。而不发光的暗物质则表现的完全不同，两团物质依然十分分明，碰撞过后对形态并没有什么影响。因此可以发现，暗物质之间的相互作用比正常物质要弱的多。

现在一般认为，暗物质粒子之间，或暗物质与正常物质之间的相互作用非常微弱。除了引力相互作用以外，只能进行弱相互作用。同时，根据暗物质粒子的可能的运动速度，人们将暗物质粒子分类为热暗物质（Hot Dark Matter，HDM，粒子运动速度接近光速），冷暗物质（Cold Dark Matter，CDM，粒子运动速度远小于光速）和温暗物质（Warm Dark Matter，WDM，速度居中）。通过计算机模拟，天文学家现在认为，组成宇宙中暗物质的主要成分应该为冷暗物质。但是冷暗物质模型也存在一些疑难，比如冷暗物质预言的银河系伴星系明显多于现在已知的伴星系。而且另外，暗物质也吸引了很多粒子物理学家，例如华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中，就在国际空间站放了一个实验仪器（阿尔法磁谱仪），用来直接探测暗物质粒子。同时，人们还知道，暗物质所占的宇宙中的质量要比正常物质多得多。所以很明确的是，宇宙尺度上有关引力相互作用的事件都是暗物质主导的，比如星系的形成和并合。

总的来说，对于暗物质的性质，人们目前认识的比较多，也有一些暗物质粒子的候选体。个人认为，直接探测到暗物质粒子，并且确认其物理组成只是时间问题。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
再来说暗能量。相比于暗物质，人们对这种与我们熟悉的物质的表现大相径庭的物质则知之甚少。

暗能量与2011年诺贝尔物理学奖息息相关。它的发现主要起源于Adam Riess在1998年用超新星发现的宇宙在加速膨胀的事实。（注：诺奖授予了Adam Riess, Brian Schmidt和Saul Perlmutter三人，但由于历史原因，Adam Riess和Saul Perlmutter谁第一个作出了发现存在争议，八卦问题就不讨论了）。

大致来说，更遥远的宇宙意味着更古老的宇宙，因为光的传播需要时间。同时，更遥远的宇宙远离我们运动的速度越快（也就有更大的红移），因为宇宙在膨胀。这可以用大名鼎鼎的哈勃定律来表示：。下图就是哈勃当年发的paper里的图。纵坐标是速度，横坐标是距离，每个点代表一个星系。



但是很清楚的是，由于宇宙里物质的相互作用，这个膨胀的速度是会改变的。所以我们测的远会发现哈勃定律并不再是简单的线性关系。而变成了下图这个样子。

横轴是红移（与速度直接相关），纵轴是等效亮度（与距离直接相关）。蓝色虚线和黑色实现是几种宇宙模型。细节并不重要，让人惊诧的是，从上往下第三根蓝线是人们最容易预料的，也就是宇宙里所有物质都贡献引力，于是宇宙在减速膨胀。然而通过Ia型超新星测量出来的数据点却并不支持这样的宇宙。测量数据倒是倾向于一个加速膨胀的宇宙。也就是说，宇宙中占主导的并不是物质之间的引力，而是一种莫名其妙的向外的压力。人们将这种压力的来源称之为暗能量。

当然，天文学家还是不傻。很多人提出了很多可能不引入暗能量这一概念来解释这一现象。比如用Ia型超新星测量距离要依赖于它一个性质。那就是Ia型超新星爆发之后亮度会逐渐变暗。其亮度变暗的速度与其亮度峰值时的光度（也就是发出来的所有光的能量）有线性关系。因此知道了几个Ia型超新星的光度，在比较这些值与我们看到的亮度，就可以知道它们的距离。下图给出了几个Ia型超新星的光变曲线。纵轴是光度，横轴是时间。可以明显的看到Ia型超新星变暗的速度越快（斜率越大），它们的光度就越小。


但是人们当时会吐槽，这样的线性关系实际上是基于观测的，人们并不十分知道是什么原因导致了这样的关系，也就不知道这个性质在遥远的宇宙是否会发生变化。不过后来，人们除了使用Ia型超新星这一种办法，还用了宇宙微波背景辐射（CMB），重子声波震荡（BAO）等方法，分别独立的确认了暗能量的存在，并且给出了类似的暗能量密度数值。

暗能量具有什么性质，在空间中的分布是不是均匀的，还是存在什么样的结构实际上并不十分清楚。因此也就更难讨论暗能量的物理起源。目前我知道的从天文上能做的（非我领域，不知道有没有更新），就是引入爱因斯坦常数，然后确定它的值现在有多大。爱因斯坦常数就是爱因斯坦当年拿他的广义相对论算宇宙演化，然后算着算着发现不对，因为他算出来宇宙的尺度不能是不变的。这与当时人们认为的静态宇宙观不符，于是就只好在方程里放进一个常数，使得宇宙既不膨胀也不收缩。但是宇宙的尺度虽然不变了，但是人们很快发现这个平衡是不稳定平衡。也就是说的值稍微变化一点，宇宙就会不可逆转的膨胀或者收缩下去。哈勃定律的发现，让人们知道，宇宙学常数的引入是爱因斯坦的一个错误。但是同时暗能量的发现又让人们重新拾起这个常数，用它来制造一个可以加速膨胀的宇宙。

在可以预见的未来，暗能量的物理起源似乎还没有头绪。但是讨论它的具体性质，比如是否是一个合适的表征暗能量的参数，以及暗能量的空间分布还是可能的。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
目前（Planck卫星）最精确的测量（以能量密度表征），宇宙中正常物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%。可以发现宇宙中主要是暗能量（）主导，其次是冷暗物质（CDM），再次才是我们平常可见、可触摸到的正常物质。也就是说宇宙中绝大部分还是我们不能充分了解的东西。而这样的缩写，也代表了现代标准的宇宙学模型。

wangtao123

这两个概念其实不宜并举……

如此的并举，不禁想起了高中时被人问过的这样一个问题：“点电荷和正电荷有什么区别？”——我当时就哽咽了，全然没有意识到，在当时，“自己白学了”的，其实并不是物理，而是语文和逻辑学……

所以，还不如说说它们各自是什么；至于“有什么区别”，只好请看官自行判断。

简单地说，它们都是某种“存在”，却根本不是一种东西；最大的相同之处，大概就是这个“暗”字了。

这个“暗”，基本上意味着，它们几乎不参与电磁相互作用。电磁波（从射电、毫米/亚毫米，到红外、可见、紫外，再到 X-射线和 Gamma 射线）是我们探测宇宙的最重要窗口，而且在目前远远比中微子和引力波重要得多。“不参与电磁相互作用”，意味着它们无法直接参与发射电磁波的过程，也意味着它们不散射（在微观上看，“反射”也不过是散射而已）、不吸收电磁波。

想直接探测暗物质，用任何形式的电磁波（比如，“用肉眼看”，便是使用了可见光频段的电磁波），都是不行的。

怎么办？人们设想，暗物质很有可能会参与弱相互作用。弱相互作用与很多核物理过程有密切关系，特别是当核子的性质发生变化时。所以，人们就设法囤积大量的某类物质（这类物质通常都在每个原子核内有许多数量的核子——这样才能更容易发生弱相互作用，而又相对不太昂贵、容易找到，也要能够相对容易地把可能影响探测的杂质剔除），放在地下以屏蔽宇宙射线（来自太空的无时无刻不在轰炸我们的高能带电粒子流）的干扰，以期看到与暗物质有关的实验。

国际上，从事这个实验的研究组有许多——在国内，清华和上海交大就打算在二滩水电站的施工涵洞里，摆上一堆闪烁体（此处的闪烁体不是碘化钠，感谢评论中 @吕松林 指正——果然通宵写东西的事情不能干，当年还和岳骞、陶嘉琳两位老师讨教过闪烁体的选择标准来着，这就自己打自己脸了……），用于探测暗物质的信号。

2002 年，当其他的暗物质探测研究组都没发出什么声音时，有个叫做 DAMA 的研究组声称，通过使用某种“秘制”的碘化钠晶体（采用碘化钠的原因是，碘的原子核里头的核子数量相对较多），他们探测到了稳定且强烈的暗物质存在的信号。可是，这个研究组做了件颇有点儿“伤天害理”的事儿：他们以“商业机密”（为他们制造碘化钠的是一家商业公司）为由，拒绝公布原始数据、晶体制造过程，以及实验的具体方案。特别地，他们与为他们制作碘化钠晶体的公司达成协议，严禁其公布制造（高纯度、充分剔除各种干扰性同位素的）碘化钠的工艺和配方——也不知这“商业机密”究竟成了什么机密。简而言之，他们拒绝任何人重复他们的实验的企图。所以，尽管这个研究组的人们发表了重量级论文，并言之凿凿地声称结果绝对可靠，但学界并没有普遍承认他们的结果。

奈何，除了 DAMA，其他实验组都没有得出清晰而稳定的暗物质存在证据相关的结果。

看来，直接探测颇有点儿严重受阻的味道；那么，能不能退而求其次，做间接探测呢？

简单地说，如果你在我与一个灯泡之前放上一团暗物质，那我看到的还是那个灯泡，什么异常都发现不了……

…… 除非你放得太多了，使得暗物质的引力场能够明显地“折弯光线”。这时，取决于你怎么放置这一团暗物质，我可能会看见灯泡变亮了（微引力透镜——虽然常见的微引力透镜基本上都与暗物质没什么关系），可能会看见灯泡的样子变得奇形怪状而且不在原来的位置上了（强引力透镜）；如果暗物质背后不止是一个灯泡，而是数十个，那么，经过统计之后，我发现灯泡的样子的圆扁程度发生了总体性的变化（弱引力透镜）。

看官问了，不是暗物质的东西（比如太阳），也能折弯光线啊？答曰，要是没有暗物质，那么引力透镜现象应该比现在所能见到的少得多也弱得多。

我们看到多少这类现象呢？真是很多很多的。下图中的那些弧形就是。

（图片本身已经标注来源了）

甚至，前一小阵子，人们还发现了强引力透镜成像中的超新星——因为四个像各自对应的光的轨迹长度不同，所以人们“不止一次地”看到了同一颗超新星的爆发……

（图片摘自 Gravitational lensing creates 'Einstein's cross' of distant supernova）

除了这个，便是最经典的证据——星系的旋转曲线。如果没有暗物质，星系中星体绕星系中心的旋转速度，会随着半径的增加而快速下降；可我们看到的是这样的曲线：

（图片摘自 Galaxy rotation curve）

同时，宇宙的大尺度结构的形成，也有暗物质一份子。

目前宇宙中热门的研究对象有哪些？ - 王力乐的回答 这个答案的最后一节，提到了宇宙中超过星系团尺度的结构。在研究中，人们发现，如果宇宙中仅仅有着非暗物质的普通物质的数量，则我们应该得到的超星系团尺度结构的形态，会与我们观测到的完全不同。比如，一团在自身引力下塌缩的物质，同等尺度下，质量越大，塌缩得越快；如果没有暗物质，则那些大尺度结构形成的速度，会大大慢于观测所揭示的速度。又如，当普通物质（可以称为“气体”）的密度足够高时，借助电磁相互作用之下的散射，气体内部会发生动量的平均化——或者叫做粘滞——这使得普通物质能够消耗掉过剩的能量，在相对较小一些的尺度上形成结构的速度，会快于暗物质——暗物质缺乏这种粘滞（通常只能通过引力，把动量传递给普通物质，再由普通物质“粘滞掉“这部分动量），会像一群苍蝇围着烂苹果一直转悠那样，围绕着质量中心进进出出地“转悠”。

这张图片里，这星系团尺度的结构的形成，就是由暗物质引致的：

（图片来自 Formation of Galaxy Clusters）

曾经，人们认为，中微子可以是暗物质的良好候选者——它几乎不参与电磁相互作用，而且数量庞大，也是被人们理解得相对好的一种东西。中微子的质量非常小，所以，只要稍有动能，它们就以几乎是光速的速度运动——人们于是管这叫“热暗物质”。与之相对的，如果暗物质是由某些理论预言的大质量粒子构成，则它们在一定能量下的运动速度会相当低，于是被称为”冷暗物质“。在这两个模型竞争了许久之后，人们发现，如果暗物质是”热的“，则因为它们本身的速度一直很快，它们也可以在自身引力下塌缩凝聚，却难免让粒子们因为拥有高速而流失，使得塌缩形成结构的速度更慢，也不容易形成更小的结构；而这一切限制，则都与观测结论相悖。所以，时至今日，占据主导地位的暗物质模型，便是所谓“冷暗物质”了。虽然，时至今日，仍然没有人能准确指出，“冷暗物质”到底是由什么粒子构成的。

甚至，整个宇宙的演化历史，也与暗物质有关系。

宇宙的膨胀速度，由弗里德曼方程给出；方程之中，有一个位置，是给暗物质的（当然，还有一个位置，是给暗能量的）。简单地说，暗物质的存在，与普通物质和辐射一样，是在“将宇宙膨胀减速”的伟大事业中出了一份力气的……

顺便说一句，引力场的场源是能量——动量张量。辐射是有能量的，是会产生引力的！如若不然，我们的宇宙学理论就会从头错到尾，与观测结论完全对应不上。不要因为有“权威人士”声称“辐射场不产生引力”就相信他——任何人，离开了自己熟悉的领域，很容易什么都不懂还爱讲废话。

可这最终还是对抗不过暗能量。随着宇宙的膨胀，辐射、普通物质与暗物质的密度越来越低，对抗暗能量的能力越来越弱；而暗能量的密度，却从不衰减。

在通常的宇宙学模型中，暗能量是一种分布于全空间的能量，而且密度并不随着膨胀而降低。

对暗能量直接进行解说有些困难——毕竟，爱因斯坦场方程是一个计算起来一团糟的东西，而就算是弗里德曼方程也是一个非线性的方程——这里就说一个不太严格但很有效的类比吧。

想象一个密闭的气缸，里头充满了普通物质、暗物质，或者辐射，外面什么也没有。气缸的活塞会被普通物质的压强向外顶；往外运动之后，气缸中的总能量，是要降低的。可是，如果把普通物质换成暗能量，活塞往外运动之后，暗能量的密度并不下降，总体积却增加了；于是，气缸中的总能量不降反升。这意味着，就“膨胀”一事而言，暗能量扮演着与普通物质、暗物质和辐射相反的角色（人们常说，暗能量差不多能算个“处处为负的压强”）；人们发现，后三者使宇宙膨胀减速，但暗能量则使宇宙的膨胀加速。

宇宙加速膨胀的发现，与 2011 年诺贝尔奖有密切关系。通过对 SN Ia（Ia 型超新星）的观测，人们获取了宇宙的“光度距离”（这是宇宙学尺度上的遥远物体的表观星等与实际光度之间关系的量度，与宇宙的演化历史密切相关）与宇宙学红移（这是光子被宇宙膨胀“拉长”的结果——在相当一部分物理教材中，它被错误地解释为多普勒效应）的关系，确认了这样一件事儿：如果暗能量不存在，那么，我们对 SN Ia 的观测结果，是无法解释的。下图中，图作者列举了不同 （暗能量的相对密度）下的“宇宙演化历史”，并发现，观测数据点明显偏向 的一侧——观测表明，这个宇宙的暗能量密度不是零。

（图片摘自 Supernova Hubble Diagram (SCP 1998)，这正是诺贝尔奖得主在他的篇关键论文中所用的图；图中的“光度距离”已被转化为“有效星等”）

那暗能量的本质到底是什么呢？曾几何时，人们都说，这暗能量，乃是量子场论中所说的“真空能”。这个名字其实并没有它听上去那么神秘——它只不过是说，在当今的条件之下，我们所谓的“真空”，本就该被某种东西充满（而且这个东西的密度确实与膨胀之类的情形都没什么关系）；只有这样，整个空间的总能量才能变得最低、最稳定。

听上去是个非常漂亮的解释——可是，量子场论给出来的暗能量密度，是宇宙学观测所得到的暗能量密度的 （一的后面跟上 120 个零）倍。人们只能对暗能量的性质做更进一步的探索了。

所以，事实上，没有人知道暗物质和暗能量究竟是什么；一定意义上，它们是唯象的模型。只是，这两个唯象模型，能给出对现在宇宙学的诸多观测事实的漂亮解释——而这确实很不容易了。

emol99

就我所知完全是两个概念，没有联系。

从发现并引入的角度来说：
暗物质是因为【观测银河系的旋转曲线所推导的银河系物质的质量，比根据银河系光度推算的物质质量多】而提出的。
那多出来的那部分质量，只能用所谓暗物质的存在来解释。
因此暗物质的基本性质可以概括为：参与引力相互作用、不参与电磁相互作用。

暗物质到底是什么？现在我们认为暗物质确实是某种粒子，理论上有几个候选粒子，实验上也在寻找。

ps: 现在也有了更多观测暗物质的证据。比如：
（1）通过星系团的引力透镜效应推算的质量远大于可见物质质量
（2）通过星系团里热气体发出的X射线推算气体温度，再推算气体速度，最后估算的逃逸质量远大于可见物质质量
（3）微波背景辐射的密度谱与宇宙中可见物质的密度谱严重不同



暗能量略复杂些
我们都知道宇宙正在加速膨胀的事实（这个发现获得了2011年诺贝尔奖），然而广义相对论给出的宇宙演化解是匀速膨胀的，因此可以引入宇宙学常数将爱因斯坦方程写成：

这样得到的宇宙演化解就能加速膨胀了

那为什么叫暗能量呢？因为我们把宇宙学常数看成是对方程右边的能动张量的一个修改，故称为暗能量。
所以暗能量的基本特征也能概括，它的存在就是为了让宇宙加速膨胀，是一种类似于斥力的作用，也不清楚它是否为某种粒子。

暗能量到底是什么？相比暗物质到底是什么，我们距离真相还很遥远。曾经一度认为暗能量就是真空能，但可惜的是真空能数量级比宇宙加速膨胀需要的暗能量大几十个数量级。到现在也没有一个特别好的暗能量理论。

区别就讲到这儿，只要知道是两个完全不同的概念就行啦。
我想说的是，暗物质也好暗能量也好，虽然都有观测证据支持，但并不是100%确定存在的。暗物质还比较好，然而对于暗能量，我认为有50%的可能不存在，宇宙加速膨胀完全可以通过修改广义相对论来实现，这方面的研究挺多人在做。
可以参考目前宇宙中热门的研究对象有哪些？ - 知乎用户的回答

jansie1314

试图用通俗的话，讲几个有关科学家们搜寻暗物质和暗能量的故事，丰富一下这个话题，希望对大家有用。

首先要说明的是，到目前为止暗物质和暗能量还是处于推想阶段，虽然有不少证据证明它们可能存在，但还没有最直接的证据，例如，实验室里还没有抓住一个暗物质粒子，关于暗能量的具体属性科学家们也没有弄清楚。科学家们是在面对很多无法解释的宇宙学问题时，提出了这两种推想。

下面具体介绍一下人们提出这些推想的过程，以及科学家们为了解开暗物质和暗能量之谜所做的努力。

暗物质与暗能量都有一个“暗”字，这两个名称是翻译过来的，因为最先给它们取名字的是外国人，英文是dark matter,dark energy，它们都有一个形容词前缀dark，翻译成中文，就是“暗”。这个“暗”，不是黑暗，不是遥不可见的那种“暗”——因为极有可能它们现在正穿过我们的身体；这个“暗”，也不是黑洞或深空的那种“暗”。这个“暗”代表着神秘、未知，我们可能得到它们存在的若干证据，间接的证据，但到目前为止，人类还未“抓”住它们，我们对它们知之甚少。

接下来开始讲故事，第一个故事，主人公是普林斯顿的物理学家Jim Peebles。20世纪60年代，Jim Peebles全程参与到发现宇宙微波背景辐射的过程中，并在探测到宇宙微波背景辐射的信号之前，通过计算得到了与实际温度较为接近的数值。从此，Peebles与宇宙结下了不解之缘。

1965年，Peebles开始研究宇宙是怎样从本初状态演化为星系的。有一天，普林斯顿的同事，天文学家Jeremiah Ostriker（耶利米 欧斯垂克）来找Peebles，Ostriker说，最近对他银河系的行为感到非常困惑，比如，如果旋转一个球状的液滴，它就会变成扁球状，越转越平，最终收缩成块状。对于旋转着的巨大银河系，它应该只需要旋转一圈，就会变成块状，或者分裂成2个。可到目前为止银河系的岁数应该至少允许它转了十几圈。善于使用计算机模型的Peebles于是创建了银河系的模型（N-体模拟，取一定数目的点，通过编程使它们按照你想要的任何特性发生相互作用，看作用如何展开），Peebles根据银河系的特点，把所有的点排成旋涡状，并让整个系统旋转，结果在第一个2亿年的旋转中，模型中的银河系就出现了灾难性的摇晃，因此，两个科学家都认为，需要某种东西来维持旋转星系的稳定。

于是，他们为计算机模型加入星系晕，通过不断尝试，最终发现，只有不可见的星系晕同星系可见部分的质量大体相当时，银河系才能保持稳定。1973年，他们发表了一篇文章，称银河系的星系晕质量，以及其他旋涡星系的星系晕质量可能极其巨大。随后，Peebles等继续分析天文学家已有的观测，并得出一个结论：普通星系的质量可能一直被低估了10个或者更多的量级。


研究宇宙中“迷失质量”的问题已经不可避免。
其实，早在1933年，天体物理学家Fritz Zwicky（弗里茨 兹威基）在研究后发座星系团中的8个星系时就发现，其质量密度一定比单从发光部分推断的值大400倍。1936年，天文学家SinclairSmith（辛克莱尔史密斯）讨论了他在处女座星系团中注意到的相同情形，提出了“星系团内部大质量的星云间物质”的存在。只是在当时他们的发现没有得到足够的重视，技术发展的水平也无法提供有力的证据。

第二个故事，和一位女天文学家有关，这位女天文学家一开始备受同行冷落，可却因她的坚持和特殊的思维方式，后来获得了很多天文学的奖项。
20世纪60年代，年轻的VeraRubin（薇拉 鲁宾）刚刚获得地磁研究部的工作，她和仪器专家Kent Ford（肯特 福德）共同合作，观测仙女星系中远离星系中心的区域的运动。（天文学家之间的竞争非常激烈，当时很多人热衷于研究类星体，Rubin发现自己并不擅长这种竞争，于是她选择研究星系的运动。）他们的优势在于福德制作的成像管光谱仪能够将对仙女星系的观测推到离中心很远的地方——这种观测超过了当时其他天文学家对一个星系的观测所能达到的距离，最终，他们的观测达到了旋涡最远的边缘上。
仙女座，是一个和银河系相似，并且距离我们最近的星系。根据牛顿的万有引力定律，在恒星系统内，行星离中心恒星越远，它的轨道运动越慢，如果把距离与速度之间的关系标在一张曲线图上，就会得到一条下行的曲线。比如太阳系就是这样的。在观测仙女座时，Vera Rubin和Kent Ford希望他们可以观测到同样的情况，也就是对于一个旋转星系来说，他们认为恒星离星系中心越远，其运动速度就会越慢。他们假定会得到一条下行曲线。
Rubin和Ford把得到的观测结果点画出仙女星系的运转曲线，结果是惊人的——他们得到了一条平直的线。也就是说，最外围恒星的运行速度和最内部恒星的速度相同。他们感到非常惊讶，1969年，他们将这一观测写成论文投稿给了《天体物理杂志》。
此后，他们运用更加先进的望远镜和光谱仪继续研究星系的运动，并在1978年发表了论文，论文中他们观测的其他8个星系的旋转曲线全部都是平直的。其他的射电天文学家们对星系的观测也得出了与他们相同的结果，在对25个其他星系的观测中，有22个星系的旋转曲线都是平直的。一定有什么人们所不知道的东西在影响星系的行为。
观测事实让越来越多的天文学家们陷入思考，宇宙中应该存在大量我们看不见的东西，尽管我们看不见，探测不到，但越来越多的证据支持它们的存在。

第三个故事，是对暗物质和暗能量存在的更重要的证据。因为这个证据颠覆了整个天文学界对宇宙的认知。

早在20世纪20年代，EdwinHubble（埃德温哈勃）在研究星系时，将其远离地球的速度与距离进行了比较，他发现，二者似乎成正比——星系越远，离开我们的速度显得越快。换句话说，宇宙看起来是在膨胀。宇宙的膨胀会怎样发展？它的速度是怎样的？宇宙的未来会是怎样的？
20世纪80年代，加州大学伯克利分校的几位物理学家和研究生，组成了“伯克利超新星自动搜索”小组，他们想用超新星作为标准烛光，探测出宇宙膨胀减慢的速度（当时大部分科学家都认为，膨胀着的宇宙充满物质，物质通过引力互相吸引，因此引力会使宇宙的膨胀减速）。后来，他们又把这个小组改名为“超新星宇宙学项目”。他们的研究工作起初并不那么顺利，对超新星的观测难度也超过了预期，好在他们的努力坚持和不断探索最终还是带来了收获，他们找到了一种发现超新星的“批量”方法，这种方法可以让他们开展“流水线”工作。通过这种方法，他们探测到了很多超新星。
20世纪90年代，一些天文学家也加入了探测超新星的比赛，他们成立了一个名为“高红移超新星搜寻”的小组，随着工作的不断进展，参与其中的天文机构和成员不断扩大。
两个小组的竞争当然十分激烈，无论是在平时的工作上，还是对望远镜使用的申请上，例如，他们都申请了在智力托罗罗山天文台的观测时间，为了公平起见，托罗罗山天文台时间分配委员会安排这两个小组每隔一夜轮流观测；两个小组也都申请了哈勃太空望远镜的观测时间，他们都获得了哈勃太空望远镜的“主任机动时间”。
通过一段时间的观测，两个互相竞争的小组最后得到了相同的答案，这个答案远远超出他们的预期，曾经，他们只想获得宇宙膨胀减慢的证据，没想到实际结论恰恰相反——宇宙正在加速膨胀。1998年，两个超新星小组的代表和另外2个天文学家一起，召开了记者招待会，4个独立的研究项目，用同一个声音向世界宣布，宇宙将永远膨胀。
在发现这个重要结论的过程中，各种证据也同时告诉科学家，即便是为了存在，宇宙也不会仅仅由物质组成的。不论是暗物质与否。宇宙需要其他的东西成为现在的宇宙。

第四个故事，和爱因斯坦曾经提出的宇宙学常数有关。这个符号为Λ的宇宙学常数，有一段坎坷的身世。

1917年，爱因斯坦在考虑他的广义相对论的过程中，在方程中加入了一个符号——Λ，Λ是反作用于万有引力的，按照爱因斯坦对稳定宇宙的看法，必须要存在某种东西，宇宙之所以充满通过引力彼此互相吸引的物质而不会崩塌，关键就在这里。在哈勃发现宇宙是膨胀的之后，爱因斯坦认为宇宙并非是稳态的，于是不再需要Λ了，并称这个宇宙常数是他“最大的失误”。Λ一下子变得很尴尬。观测家和理论家们觉得Λ好像既存在又不存在，有的时候，他们干脆假定Λ=0。有时候，一些科学家想把Λ给赶走。
在1965年Penzias和Wilson探测到各向同性的宇宙微波背景辐射之后，天文学家们发现，宇宙在大尺度上的的确确就是像爱因斯坦曾经假设的那样均衡和各向同性的，1979年，Alan Guth（阿兰古斯）提出了暴涨理论，这个理论可以很好地解释宇宙在大的尺度上为什么是均衡和各向同性的。
在研究宇宙学的过程中，科学家们也提出了另一个符号——Ω，当时，他们认为，宇宙的命运取决于宇宙有多少物质，用Ω表示决定宇宙命运的量度：如果宇宙包含能使膨胀停止的那么多质量的一半，Ω=0.5；如果包含所需质量的四分之一，Ω=0.25，如此类推，如果包含的质量刚刚使宇宙的膨胀停止，Ω=1。聪明的天文学家们甚至可以测量出Ω的具体值——如果能够有一个标准烛光的话。
因此，当超新星研究小组找到他们的标准烛光时，计算Ω的值当然不可避免。尽管他们可能并不是特意去计算的。
这当然要感谢技术的进步给科学家们带来充足的精确数据，尤其是哈勃太空望远镜作出了重要贡献。由于哈勃望远镜的光度测量要比地面的测量分析更好，超新星研究小组对它带来的任何结果都特别重视。1997年7月，超新星研究小组完成了对两颗哈勃望远镜超新星的光度分析，得到了它们的亮度，光谱分析得到了它们的红移。相对于特定的红移来说，超新星的亮度比预期的亮度越亮，得出的Ω的值就越高；如果超新星的亮度比预期的亮度越暗，得出的Ω的值相应就越低。
在对这两颗超新星的情况作图后——一根数轴代表红移，一根表示亮度，画出坐标图，科学家发现，与它们的红移对应的预期亮度相比，这两颗超新星的实际亮度只有预期光度值的大约一半。由于超新星研究小组掌握了探测超新星的批量方法，当时他们掌握了几十个超新星的数据，当他们分析的超新星越多，得出的Ω值似乎就变得越低，31颗遥远超新星的数据给出了一个一致性较低的答案：对数据柱形图的分析表明，Ω=0.2的附近出现了一个峰值。
与此同时，高红移超新星搜寻小组的AdamRiess（亚当利斯）也在试图用他的方法得出比超新星研究小组更加精确的结论——这两个小组当时正在进行超新星比赛，由物理学家们组成的伯克利小组由于批量方法在超新星的探测上拥有较大的数量优势，因此想要赢过他们，就得在数据的质量上下功夫。Riess的光度曲线形状法提出了一种数学方法，通过光度曲线外形的升降可以推出超新星的亮度。由于星际尘埃可能会很大程度影响探测到的超新星的亮度，Riess又发明了多颜色光度曲线形状法，用不同颜色的滤镜对光进行观测，这种方法可以对尘埃的影响提供一种累积性的测量结果，最终得出更加精确的距离测量结果。运用他的方法，对高红移超新星进行的计算，Riess得出了一个具有负物质的宇宙。但是，如果他给爱因斯坦的方程里的Λ一个正值，一切就合理了。Riess认真检查了他的数学、计算机程序，结果还是一样。他把所有的一切提交给高红移超新星搜寻小组的领导者、天文学家Brian Schmidt（布莱恩施密特），Schmidt再一次做了认真检查，没有错误。
高红移超新星搜寻小组选择接受他们的观测结果和计算结果，宇宙不可能是负物质的，那么他们选择接受给Λ一个正值，是的，他们不再假设Λ=0了。

第五个故事，依然跟超新星研究小组有关。同时也涉及量子物理学。
宇宙在加速膨胀，Ω=0.2，Λ不再等于0，这简单的几个结论对当时的天文学家们来说简直是既震惊，又困惑，甚至有些恐慌，天文学家们对宇宙的认识得到了极大的颠覆！

但两个互相竞争的超新星小组也同时给彼此以重要的支持和证明，因为任何科学的结果都需要经过验证，两个小组的成员、数据都互相独立（只有很少的几个数据来自相同的超新星），他们使用的分析方法也相对独立（互不相同），但他们都通过不同的路走到了相同的终点：宇宙会一直膨胀，宇宙的膨胀是加速的，他们需要一个数值为正的Λ让宇宙变得可以理解（最终他们给Λ一个0.7的值）。
对天文学家来说，Λ当时大概只是一个符号，Adam Riess对高红移超新星的分析需要Λ有一个0.7的正值，否则宇宙就会具有负质量。

但对粒子物理学家来说，一个等于0.7的Λ又带来了新的问题。
爱因斯坦曾经预言，空间的第一个性质是可能有更多的空间存在，第二个性质就是空的空间可以拥有属于它自身的能量（empty space can possess its own energy）。对粒子物理学家来说，Λ并非只是一个符号，它是空间的一种性质。在粒子物理学中，真空并不是真那么空，而是一个虚拟粒子在存在和非存在之间不断生灭的奇妙所在，这些粒子不仅存在，还具有能量，由真空能量的存在带来实验可观测的物理效应就是Casimir effect（卡西米尔效应）。因此真空中存在正能量本身并不让物理学家吃惊，让他们感到有问题的是，当他们试图计算这种虚拟粒子会给宇宙的空间带来多少能量时，得出的答案却远远大于天文学家们得出的0.7，大10的120次方倍。这个值太夸张了，在这种能量密度下，空间的伸展将变得非常极端。因此，目前为止，物理学家还是搞不清宇宙的粒子到底玩了什么魔术，搞不清它们到底是按照怎样一种恰如其分的比例彼此湮灭才有了今天的世界。

20世纪末，科学家们在讨论这些问题的时候，求助于两种推想：面对不得不正视的“迷失质量”的问题，为了理解星系的运动，他们推想存在暗物质；面对加速膨胀的宇宙，为了解释超新星的光度，他们推想存在暗能量。
天文学家决定进一步观测宇宙寻找答案。
他们首先想到，会不会有什么东西遮住了超新星的光让它变得比预期的要暗？于是，他们想到了一种奇异的尘埃——灰色尘埃，不过没人发现它的存在。Adam Riess则思考，如果人们对暗物质和暗能量推理的方向是正确的，那么可能会出现这样的情况：现在这个时代，暗能量占主导地位，它的反引力作用力比引力更强，因而宇宙在加速膨胀，超新星会显得比预期的更暗；然而，时间往回推，把膨胀的宇宙往回压缩，必然有一个阶段，物质的密度大到一定程度时，产生的引力的积累效应就会足够大，在那个时候由暗物质产生的引力效应超过暗能量的反引力效应，宇宙的膨胀应该是减速的，当时爆发的超新星的亮度就会比预期的更亮。
如果能够观测到一颗足够遥远的超新星，远到它存在于宇宙膨胀速度逆转前的时代，就可以印证这种想法是否正确。如果这种想法正确，对暗物质和暗能量推理的可靠性就进一步加强了。
幸亏这个时代已经有足够的技术来印证这个想法，哈勃望远镜成了天文学家最好的助手之一。哈勃深空区包含了约3000个星系，其中有些是宇宙中最早的星系。在这片深空区，天文学家的确发现了古老超新星的身影，有两颗被标记为1997ff和1997fg，这两颗超新星是地基望远镜的观测所无法企及的古老。但当时并没有后续观测。
不过天文学家依旧很幸运，1997年，航天员为哈勃望远镜加上了两个厉害的仪器，近红外相机和多目标光谱仪，它们对非常遥远的天体特别敏感，为了进行测试，近红外相机和多目标光谱仪小组把目标对准了哈勃深空区进行拍摄。虽然他们并不是为搜寻超新星而拍摄的，但超新星1997ff和1997fg幸运地入镜了。
Riess在哈勃的照片库里根据坐标找到了这些照片，并对1997ff进行深入分析，通过红移确定了爆发的时间：110亿年以前。足够古老了。
Riess排除了灰色尘埃以及其他可能的影响，他发现，与预期亮度相比，1997ff要亮上2倍！这是一个有力的证据，证明宇宙的膨胀曾经发生过逆转！为了进一步确定，Riess申请了更多的哈勃太空望远镜观测时间，2003年，他的小组宣布，他们已经找到了宇宙膨胀逆转的时间——大约是50亿年以前。那个时候，暗能量的反引力作用力战胜了引力，导致宇宙的膨胀在其后加速。随后几年，Riess的小组又发现证据，表明在这个时间点之前的将近90亿年里，暗能量应该也是存在的。


图片：NASA的哈勃望远镜拍摄的深空图像，图中显示超新星1997ff位于北哈勃深空区，在右上角。

接下来，简单介绍一下科学家们是怎样寻找暗物质的。分别从天文学和物理学两个方面介绍。
先是天文学：

科学家们认为，暗物质粒子应该和其他粒子一样，运动或快或慢。对于那些非常轻、以接近光速运动的暗物质粒子，称之为热暗物质；那些比较重，运动相对较慢的，称之为冷暗物质。对这两种暗物质，科学家们建立的理论模型表明，不同的暗物质对宇宙演变的影响方式也有所不同——热暗物质会促使先形成较大的结构，随着时间推移逐渐碎裂成小的结构（如先形成超星系团，然后再分裂成较小的星系团、星系）；冷暗物质会促使先形成小的结构，然后再逐步形成越来越大的结构（如先形成星系，再形成星系团、超星系团）。
20世纪80年代初的观测表明，银河系是一个本初超星系团的组成部分。80年代末开始，哈佛-史密森天体物理中心发现了一个星系巨墙（巨墙，The Great Wall，是宇宙中最大的已知架构，是一种星系链。在星系巨墙处，星系团和超星系团汇聚成一条延伸十多亿光年的线。最近的巨墙离地球3亿光年远。巨墙之间平均距离4亿光年，其间没有星系，称〝空洞〞-void宇宙可能就是由一系列星系巨墙构成的）。此后，天文学家开始用“2度视场星系红移巡天”绘制宇宙的三维地图（这是采用多光纤技术的新一代巡天计划，2002年7月，计划中的25万个星系已基本观测完毕，获取了22万余个星系的准确红移值，完成了该巡天的观测部分）。2000年之后，天文学家开始了“斯隆数字巡天”项目（斯隆数字巡天记录了近二百万个天体的数据，包括80多万个星系和10多万个类星体的光谱数据。这些天体的位置和距离数据为研究宇宙的大尺度结构提供了重要资料）。
通过这些巡天观测，天文学家们得到的分布图都与冷暗物质理论模型相一致，宇宙的确是经历了一个先聚结成小结构，再由小结构聚集成大结构的过程——在红移2到4的时候，也就是大约90到120亿年前，星系形成；在红移小于1的时候，也就是大约60亿年前，星系聚集成星系团；现在，星系团正在聚集成超星系团。
天文学家们也在利用越来越先进的观测技术，寻找暗物质的身影。2006年，宇宙演化巡天（COSMOS）发布了暗物质的分布图。这次巡天分析了500多例哈勃太空望远镜拍摄的照片，这些照片反映的都是位置上一前一后排成一条线的两个星系或星系团——天文学家利用星系或星系团的弱引力透镜效应进行计算，来自前景天体的光说明那里看上去有多少物质，而对背景天体的引力透镜效应则能够说明，前景中实际存在多少物质，两个数值之间的差就是暗物质。


图片：可见物质与暗物质分布图，宇宙演化巡天项目，由哈勃太空望远镜提供。左图为可见物质，右图为暗物质。
接下来要提到的是很多人都已知晓的，著名的子弹星系团（Bullet Cluster）的故事。2006年，哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文卫星、拉斯坎帕拉斯天文台的麦哲伦望远镜都捕捉到了子弹星系团1E 0657-56（子弹星系团是由两个相互碰撞的星系团形成）的照片。通过利用X射线和引力透镜对这一碰撞的观测，当时在亚利桑那大学的Douglas Clowe将可见的气体和不可见的物质分离开。通过X射线观测到的可见气体大量集中在碰撞的中心（由于引力作用而集结），通过引力透镜检测出的不可见物质在碰撞的两侧都出现了（来自两个星系团的暗物质仿佛没有受到什么影响，互相穿过）。NASA为它们上了色，粉红色代表可见气体，蓝色代表不可见物质。这张照片成为暗物质存在的最著名的简洁证据。



图片： 子弹星系团1E 0657-56
接着是物理学：
20世纪70年代，理论物理学家在解决粒子物理标准模型一些问题的过程中，假想了两种粒子，这两种粒子，成为暗物质的重要候选对象。
这两种假想粒子，就是轴子（axion）和大质量弱相互作用粒子（weakly interactive massive particle，缩写WIMP）。作为一种假想粒子，如果轴子存在的话，物理学家们认为一个轴子的质量只有一个电子质量的一万亿分之一。20世纪80年代，物理学家意识到，轴子虽然不能与物质配对，但却能与磁场发生相互作用，在足够强的磁场作用下，一个轴子能分裂成一个光子。为了检验轴子是否真的存在，物理学家正在进行轴子暗物质实验（ADMX），并建造了轴子探测器。
轴子探测器是一个强磁场的共振腔，如果有轴子进入腔内，就会在强磁场的作用下分裂成光子，轴子可以穿过腔壁，但光子不能，光子会被腔壁反弹，发射出一种微弱的微波信号。轴子探测器就试图寻找这种信号。但是这种信号极其微弱，因此，现在世界上有不止一处的实验室，试图通过轴子暗物质实验“捕获”轴子存在的直接证据。
大质量弱相互作用粒子非常受物理学家欢迎，部分是因为它非常适合有关大爆炸模型的描述。这种粒子之间不存在电磁相互作用（意味着无法通过电磁波找到它），也不会通过强核力相互作用，但它们会与原子核发生弱相互作用。从理论上说，可以观测它们与某个原子核相碰撞时发生弱相互作用的两个后续反应：一个是受激原子核产生的微小热量，一个是释放出电子电荷。
在如此微小的尺度上搜寻暗物质存在的独有标志，唯有借助于极高精度的物理实验。目前世界上正在进行或计划进行的三十多个暗物质实验中，绝大多数实验都致力于搜索大质量弱相互作用粒子。伯克利粒子天体物理中心在20世纪80年代末就开始了“低温暗物质搜寻”计划（CDMS），斯坦福大学也开展了类似的实验（可惜实验受到μ介子的干扰并不成功），意大利、加拿大、日本也有相关实验，它们都有一个共同的特点，低温——为了保持靶标原子的稳定，探测器温度必须保持在绝对零度附近；地下（或者在大山的山体中）——为了遮挡宇宙射线和其他普通粒子的干扰。在我国四川雅砻江锦屏山的隧道内，也建造了一个这样的极深地下暗物质实验室，实验室上方有2400米厚的岩石层，可将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一，其中使用的是我国自主设计的高纯锗探测器，用来测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。
2015年12月17日，我国成功发射首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”，科学家们将通过高能量分辨和高空间分辨，观测高能电子和伽马射线能谱和空间分布，寻找和研究暗物质粒子；通过测量TeV(十亿电子伏特)以上的高能电子能谱，研究宇宙线起源；通过测量宇宙线重离子能谱，研究宇宙线传播和加速机制。悟空预计在轨工作三年，前两年主要是巡天观测，第三年根据观测结果进行定点扫描探测。
有关暗物质的具体探测方法和“悟空”的工作原理，大家可以搜索知乎中“中国科普博览”中国暗物质粒子探测卫星首席科学家常进先生的详细解释（见问题“暗物质粒子探测卫星的工作原理是什么”）。

那么估计大家对暗物质应该都有一个整体的印象了，下面简单介绍一下暗能量。其实，关于暗能量，科学家们知道的比暗物质少多了。但是在现代，暗能量对宇宙来说可是占主导地位呢。


首先，根据2013年普朗克团队公布的测量结果，宇宙的年龄是138.2亿岁，其中包含4.9%的普通物质，26.8%的暗物质以及68.3%的暗能量，由此可见，与普通物质和暗物质相比，暗能量在当代宇宙占了大得多的份额。
其次，暗能量不是某种粒子，你不能去探测它，甚至对它的特性人们还一无所知。比如，暗能量是否是一个常量——不随时间和空间而改变？如果它是不变的，那么随着宇宙的膨胀和物质密度的降低，引力的效应会越来越小，暗能量（具有反引力效应）对宇宙的影响就会越来越大，产生越来越大的膨胀加速度，宇宙就会沦落为大寒冷。如果暗能量不是常量，它会随着时间和空间而改变，那么它就可能是物理学中前所未知的某种特别的动力学场，那么它会随着时空的变化对宇宙产生什么影响又是一个新的课题。
美国成立了一个暗物质专门委员会（The Dark Energy Task Force），2006年公布了推荐的研究暗能量的几种方法。例如，通过Ia型超新星进行深入观测。天文学家们希望有一颗望远镜卫星帮助他们。又如，重子声学振荡（BAO）。1970年，普林斯顿的物理学家Jim Peebles已经注意到，在形成宇宙微波背景的过程中，宇宙学扰动（cosmological perturbations）会激发快速穿越本初气体的声学振荡（声波），形成相距43.6万光年的波峰。波峰之间的距离会随着宇宙的膨胀而膨胀，到今天的距离已经达到4.76亿光年。星系通常会在波峰上形成，通过测量不同年代的星系的分布，可以了解波峰随时间的变化，进而了解不同的时间宇宙膨胀的变化。还有弱透镜效应，与前一种方法相比，这种方法更为间接。以及，用南极望远镜进行的一系列观测。
2001年，南极天体物理研究中心的“角尺度干涉仪”（Degree Angular Scale Interferometer）（主要观测宇宙微波背景的温度及其起伏）探测到了暴涨理论所预言的声波表征性分布模式，宇宙在婴儿时期的声音具有3个波峰。2002年，角尺度干涉仪又对偏振进行了观测。温度和波动可以告诉科学家宇宙物质的分布，偏振——光子从物质中解耦出来时的方向——则会告诉科学家们物质运动的方向。和阳光经湖面或路面反射后会发生偏振一样，宇宙微波背景辐射在穿行时会因被电子散射而出现偏振。根据预言，引力波会微小地改变这一偏振的模式。当这些涟漪在时空中传播时，它们会以一种独特的方式来使电子发生位移，由此在CMB中留下它们的印迹。观测的结果让科学家们欣慰，因为这个结果是按照预期水平存在的。
使用南极望远镜进行观测的天文学家们并没有多在意他们所在之地的极寒与偏僻，他们也没有因为在这里工作的苦累、寂寞而退却，相反，他们把在南极工作作为一种奖励来“赢得”。他们不仅要进行一系列科学观测和分析，还需要对仪器进行极其细致的维护和修理。他们希望通过对星系团的丰度和距离的观测计算，弄清宇宙历史上暗能量是如何影响大尺度结构的发展的，他们想探测出暗能量与物质引力之间漫长的拔河比赛的具体细节。

一切都在继续，随着人们知道的越多，人们感觉到的未知就越多。到现在，科学家们已经深深地感到一个巨大问题的存在：怎样在广义相对论（有关至大的物理学）与量子力学（有关至小的物理学）之间做出调和？这个问题，几十年来一直没有得到解决。而有关暗物质和暗能量的问题和这个问题紧密相关。
同时，理论学家们也提出了很多大胆的设想，例如，假如暴涨能够让一个量子宇宙鼓胀成为一个存在，那它为什么不能让许多个这样的宇宙成为存在？按照量子理论，我们所在的宇宙的这个暴涨泡泡将有可能是全部10的500次方个暴涨泡泡中的一个，每一个暴涨泡泡都形成一个自己的宇宙。