神秘的暗能量，以及某些暗物质会发生衰变的最新发现

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原创：郑娟娟
　　在《蚂蚁看世界：宇宙的历史和其他奥秘》文末，我们谈到了一种并不像物质，也不像普通能量的东西，正在推动星系彼此分开。这种东西就被称为暗能量，之所以叫暗能量，是因为人们并不了解它。现在，我们就来谈谈暗能量，以及暗物质。
膨胀的宇宙：
　1929年，美国天文学家Edwin Hubble对星系的研究确定了宇宙正在膨胀。从那时起，科学家们一直在试图寻求确定宇宙膨胀的速度。当时，似乎显而易见的是，引力，这种吸引一切的力量，将阻碍宇宙的膨胀，所以很多人问的问题是，宇宙在以什么样的速度减缓膨胀？
20世纪90年代，两个独立的天体物理学家团队再次将目光转向遥远的超新星，以计算宇宙膨胀减缓的速度。令他们惊讶的是，他们发现宇宙的膨胀并没有放慢，而是正在加速！没有人预料到这一点，没有人知道该如何解释。
理论家进行了深入地思考，最后，他们提出了三种解释。解释1：或许这是一个长期丢弃版的爱因斯坦引力理论的结果。在广义相对论中，爱因斯坦使用了一个“宇宙常数”来解释当时科学家所认为的稳定的宇宙。Hubble宣布宇宙在膨胀后，爱因斯坦曾称这个宇宙常数是他“最大的失误”。但这个宇宙常数却可能是最适合暗能量的。解释2：或许有一些奇怪的能量流体充满空间。解释3：或许爱因斯坦的引力理论存在一些错误，一种新的理论可能包含某种领域创造了这种宇宙膨胀的加速度。
　　当然，理论家们还没有搞清楚哪种解释是正确的，但是，他们给可能性最大的解决方案起了个名字——暗能量（Dark Energy）。

图片：宇宙的膨胀与暗能量 来自：Saint Mary's University
　什么是暗能量？
　　对于暗能量，科学界其实知之甚少。目前为止，大概知道有多少暗能量存在于宇宙中，这个比例是根据暗能量对宇宙膨胀的影响计算出来的。除此之外，有关暗能量的一切几乎都是奥秘。根据NASA（NASA）的数据，宇宙约68.3％是暗能量，此外，暗物质约占宇宙的26.8％，其他所有可见的常规物质加起来，总和大概是宇宙的4.9％。从这个比例上来说，我们现在所了解的可见物质好像都不应该被称为常规物质，因为它的比例实在是太小了。
对暗能量的第一种具体的解释，是认为暗能量是空间的一种性质。爱因斯坦大概是第一个意识到空的空间并非什么都不是（empty space is not nothing）的科学家。空间具有很多令人惊讶的性质，这些性质中的大部分或许才刚刚被人们所理解。
爱因斯坦所揭示的空间的第一个性质，是可能有更多的空间存在。然后，爱因斯坦引力理论的一个版本，即包含宇宙常数的那个版本，对空间的性质作出了第二个预言：空的空间可以拥有属于它自身的能量（"empty space" can possess its own energy）。由于这种能量是空间本身的性质，随着宇宙的膨胀，这种能量并不会被稀释。随着更多的空间的存在，更多的这种空间能量将会出现。结果就是，这种形式的能量将使宇宙膨胀得越来越快。不幸的是，没有人明白为什么宇宙常数应该存在，更不用说为什么它会有正确的值来引起宇宙的加速膨胀。
　　关于空间是如何获取能量的另一种解释，来自于物质的量子理论。在该理论中，“空的空间”实际上充满了临时的虚拟粒子，这些临时的虚拟粒子持续地形成，然后消失。但当物理学家们试图计算出这种虚拟粒子会给空的空间带来多少能量时，答案却与实际情况差得太远太远，因此，这种解释几乎是不成立的。
　　关于宇宙加速膨胀的第三种解释，就是爱因斯坦的引力理论是有误的，这会极大地影响对星系中的可见物质和星系团的行为方式的解释。如果爱因斯坦的引力理论错了，需要一个新的引力理论，那么这个新理论会是什么样的？这个新理论将如何正确地解释各种星系、恒星、行星的运行？尽管有人提出了一些新理论，但到目前为止，还没有出现一个完全令人信服的新理论。
　　那么，到底哪一种解释会是正确的？还是需要更多的相关数据，更好的数据。
什么是暗物质（Dark Matter）？
　　这个问题就像暗能量一样充满奥秘，难以回答。到目前为止，可能与定义什么是暗物质相比，更容易回答的是什么不是暗物质。首先，暗物质是暗的，意味着它并不是我们可见的恒星、行星的存在形式。通过对宇宙的观测，科学家们发现，可见物质太少，只占宇宙的4.9％，而计算得出的暗能量占宇宙的68.3％，还剩下26.8％的宇宙，是由什么填满的？于是科学家们给出了这个概念：暗物质。其次，暗物质并不是以普通物质的（由重子组成的）暗云的形式存在的，因为科学家们可以检测到重子云对经过它的辐射的吸收情况。第三，暗物质不是反物质，因为没有检测到反物质与物质湮灭时产生的独特的伽马射线。第四，目前为止可以探测出的黑洞无法弥补这26.8％的宇宙。
目前，最常见的观点是，暗物质不是重子，而是由其他更奇特的粒子组成，比如轴粒子，或者大质量弱相互作用粒子（WIMPS）。
最近，新的研究表明，早期宇宙可能含有比今天更多的暗物质。研究人员说，这些发现可以帮助科学家更好地了解宇宙在大爆炸之后是什么样子。
　　莫斯科物理技术学院的Dmitry Gorbunov，俄罗斯核研究所实验物理系系主任Igor Tkachev，以及俄罗斯新西伯利亚大学的Anton Chudaykin认为，自宇宙早期以来，一些不稳定的暗物质是否可能发生衰变，从任何类型的（仍然未知的）组成暗物质的粒子变成更轻的粒子。
　　“我们现在第一次能够计算出宇宙可能已经失去多少暗物质，以及这种不稳定组成部分的相应大小是多少，”Tkachev在一份声明中说。
他们的新计算表明，自宇宙大爆炸以来，大概已经失去的暗物质数量占现有暗物质总量的不到5%。研究人员说，除了为难以捉摸的暗物质提供新的性质外，这项工作可以帮助科学家了解宇宙是如何随着时间变化的。例如，研究结果可能会显示宇宙的膨胀率如何变化，以及宇宙最初的几十万年中发生了什么。
在这项研究中，研究团队观察了普朗克空间望远镜的数据，普朗克空间望远镜记录了宇宙微波背景。——宇宙微波背景是大爆炸的“回声”，是最早的开始在宇宙中自由穿梭的光子的辐射。通过研究这种辐射的变动，就可能计算出不同参数的值，例如在该辐射射出时宇宙的膨胀率。
　　通过测算宇宙的膨胀率，以及星系集群的数量，研究人员发现，大约在宇宙产生后的30万年时，早期宇宙的行为与现在的宇宙并不相同。
研究人员对真实的宇宙运用了两个模型进行了比较：一个模型假定暗物质是稳定的，另一个假定暗物质的总量可能发生改变。结果发现，后一个模型可以产生今天的宇宙。
因此，研究人员在一份声明中说：早期宇宙可能存在两种暗物质，一种暗物质会衰变成其他的粒子，另一种暗物质几十亿年都是稳定的状态。
　　“目前，我们还不能说这部分不稳定的暗物质的衰变有多快，甚至现在有些暗物质可能都在发生分裂。” Tkachev在一份声明中说。
　　本文参考资料来源于NASA，SPACE以及livescience网站（文中引用的关于暗物质的最新发现发表在livescience网站上）的相关内容。同时感谢知乎上优秀的天文学专家给以的修改建议。
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傲雪风

拒绝暗物质，MOND大法好（手动斜眼

璀璨星辰

文中颇多bug

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