暗物質(zhì)是充滿宇宙但沒有人見過的神秘物質(zhì)

暗物質(zhì)是完全看不見的。它不發(fā)射光或能量，因此不能被傳統(tǒng)的傳感器和檢測(cè)器檢測(cè)到?？茖W(xué)家們認(rèn)為，其難以捉摸的本質(zhì)的關(guān)鍵必須在于它的成分。

可見物質(zhì)，也稱為重子物質(zhì)，由重子組成——重子是質(zhì)子、中子和電子等亞原子粒子的總稱?？茖W(xué)家們只是推測(cè)暗物質(zhì)是由什么構(gòu)成的。它可以由重子組成，但也可以是非重子，這意味著由不同類型的粒子組成。

大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是由非重子物質(zhì)組成的。主要候選者 WIMPS（弱相互作用的大質(zhì)量粒子）被認(rèn)為具有質(zhì)子質(zhì)量的十到一百倍，但它們與“正?！蔽镔|(zhì)的弱相互作用使它們難以被發(fā)現(xiàn)。中微子是比中微子更重、更慢的巨大假設(shè)粒子，是最重要的候選者，盡管它們尚未被發(fā)現(xiàn)。

無菌中微子是另一個(gè)候選者。中微子是不構(gòu)成常規(guī)物質(zhì)的粒子。一條來自太陽(yáng)的中微子河流，但由于它們很少與正常物質(zhì)相互作用，它們穿過地球及其居民。

已知有三種中微子；第四種，無菌中微子，被提議作為暗物質(zhì)候選者。無菌中微子只能通過重力與常規(guī)物質(zhì)相互作用。

密歇根州立大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)副教授、南極洲冰立方中微子天文臺(tái)的合作者泰斯·德?lián)P告訴太空：“一個(gè)懸而未決的問題是，進(jìn)入每個(gè)中微子種類的分?jǐn)?shù)是否存在模式?！?nbsp;

較小的中性軸子和不帶電的光子——都是理論粒子——也是暗物質(zhì)的潛在占位符。

還有反物質(zhì)這種東西，和暗物質(zhì)不一樣。反物質(zhì)由與可見物質(zhì)粒子基本相同但電荷相反的粒子組成。這些粒子稱為反質(zhì)子和正電子（或反電子）。當(dāng)反粒子遇到粒子時(shí)，會(huì)發(fā)生爆炸，導(dǎo)致兩種物質(zhì)相互抵消。因?yàn)槲覀兩钤谝粋€(gè)由物質(zhì)構(gòu)成的宇宙中，很明顯周圍沒有那么多反物質(zhì)，否則就什么都沒有了。與暗物質(zhì)不同，物理學(xué)家實(shí)際上可以在他們的實(shí)驗(yàn)室中制造反物質(zhì)。

但如果我們看不到暗物質(zhì)，我們?cè)趺粗浪嬖谀?？答案是重力，由物質(zhì)構(gòu)成的物體所施加的力與其質(zhì)量成正比。自 1920 年代以來，天文學(xué)家就假設(shè)宇宙必須包含比我們所能看到的更多的物質(zhì)，因?yàn)樗坪踉谟钪嬷邪l(fā)揮作用的引力似乎比僅可見物質(zhì)所能解釋的要強(qiáng)。

“星星的運(yùn)動(dòng)告訴你有多少物質(zhì)，”耶魯大學(xué)研究員彼得·范多庫(kù)姆在一份聲明中說。“他們不在乎問題是什么形式，他們只是告訴你它就在那里?！?/span>

天文學(xué)家在 1970 年代檢查螺旋星系時(shí)預(yù)計(jì)會(huì)看到中心的物質(zhì)比外緣移動(dòng)得更快。相反，他們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)位置的恒星以相同的速度行進(jìn)，這表明星系包含的質(zhì)量比可見的要多。

對(duì)橢圓星系內(nèi)氣體的研究也表明，需要比可見物體更多的質(zhì)量。如果星系團(tuán)所包含的唯一質(zhì)量是常規(guī)天文測(cè)量可見的質(zhì)量，它們就會(huì)飛散。

不同的星系似乎包含不同數(shù)量的暗物質(zhì)。2016 年，范多庫(kù)姆領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為蜻蜓 44的星系，它似乎幾乎完全由暗物質(zhì)組成。另一方面，自 2018 年以來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)似乎完全沒有暗物質(zhì)的星系。

引力不僅影響星系中恒星的軌道，還影響光的軌跡。著名物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦在 20 世紀(jì)初表明，宇宙中的大質(zhì)量物體由于其引力而彎曲和扭曲光。這種現(xiàn)象稱為引力透鏡。通過研究光是如何被星系團(tuán)扭曲的，天文學(xué)家已經(jīng)能夠繪制出宇宙中暗物質(zhì)的地圖。

今天，絕大多數(shù)天文學(xué)界都承認(rèn)暗物質(zhì)的存在。

“一些天文測(cè)量證實(shí)了暗物質(zhì)的存在，導(dǎo)致全世界都在努力在極其敏感的探測(cè)器中直接觀察暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)的相互作用，這將證實(shí)它的存在并闡明它的特性，”格蘭薩索意大利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNGS）在一份聲明中說?！叭欢?，這些相互作用非常微弱，以至于到目前為止它們都逃脫了直接檢測(cè)，迫使科學(xué)家們建造越來越靈敏的探測(cè)器。”

盡管所有證據(jù)都指向暗物質(zhì)的存在，但也有可能根本不存在這樣的東西，并且描述太陽(yáng)系內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的萬(wàn)有引力定律需要修改。

暗物質(zhì)似乎以網(wǎng)絡(luò)狀分布在整個(gè)宇宙中，在纖維相交的節(jié)點(diǎn)處形成了星系團(tuán)。通過驗(yàn)證引力在我們太陽(yáng)系內(nèi)外的作用相同，研究人員為暗物質(zhì)和暗能量的存在提供了額外的證據(jù)。

暗物質(zhì)從何而來？

暗物質(zhì)似乎以網(wǎng)狀分布在整個(gè)宇宙中，在纖維相交的節(jié)點(diǎn)處形成了星系團(tuán)。通過驗(yàn)證太陽(yáng)系內(nèi)外的引力作用相同，研究人員為暗物質(zhì)的存在提供了額外的證據(jù)。（事情甚至更復(fù)雜，因?yàn)槌税滴镔|(zhì)之外，似乎還有暗能量，這是一種無形的力量，負(fù)責(zé)對(duì)抗重力的宇宙膨脹。）

但是暗物質(zhì)從何而來？顯而易見的答案是我們不知道。但是有一些理論。2021 年 12 月發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上的一項(xiàng)研究認(rèn)為，暗物質(zhì)可能集中在黑洞中，黑洞是通往虛無的強(qiáng)大大門，由于它們的極端引力，它們會(huì)吞噬附近的一切。因此，暗物質(zhì)將與我們今天所看到的宇宙的所有其他構(gòu)成元素一起 在大爆炸中產(chǎn)生。

白矮星和中子星等恒星殘骸也被認(rèn)為含有大量暗物質(zhì)，所謂的自有矮星也是如此，這些失敗的恒星沒有積累足夠的物質(zhì)來啟動(dòng)核聚變.

星系中心的暗物質(zhì)

科學(xué)家如何研究暗物質(zhì)？

既然我們看不到暗物質(zhì)，我們真的可以研究它嗎？有兩種方法可以更多地了解這個(gè)神秘的東西。天文學(xué)家通過觀察宇宙中物質(zhì)的聚集和物體的運(yùn)動(dòng)來研究宇宙中暗物質(zhì)的分布。另一方面，粒子物理學(xué)家正在尋求探測(cè)構(gòu)成暗物質(zhì)的基本粒子。

安裝在國(guó)際空間站上的一項(xiàng)名為阿爾法磁譜儀(AMS) 的實(shí)驗(yàn)可以檢測(cè)宇宙射線中的反物質(zhì)。自 2011 年以來，它已被超過 1000 億條宇宙射線擊中，為了解穿越宇宙的粒子組成提供了迷人的見解。

“我們測(cè)量了過量的正電子（電子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物），這種過量可能來自暗物質(zhì)，”AMS 首席科學(xué)家、麻省理工學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Samuel Ting 告訴 Space.com?！暗壳?，我們?nèi)匀恍枰鄶?shù)據(jù)來確保它來自暗物質(zhì)，而不是來自一些奇怪的天體物理學(xué)來源。這將需要我們?cè)龠\(yùn)行幾年。”

回到地球上，在意大利的一座山下，LNGS 的 XENON1T正在尋找 WIMP 與氙原子碰撞后的相互作用跡象。

哥倫比亞大學(xué)教授、項(xiàng)目發(fā)言人 Elena Aprile在一份聲明中說：“利用 XENON1T 在地球上用超低背景大型探測(cè)器探測(cè)暗物質(zhì)的新階段剛剛開始。 ” “我們很自豪能夠憑借這款令人驚嘆的探測(cè)器走在競(jìng)賽的最前沿，這是同類中的第一個(gè)。”

位于南達(dá)科他州金礦的大型地下氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)(LUX) 也一直在尋找 WIMP 和氙相互作用的跡象。但到目前為止，該儀器還沒有揭示出神秘的物質(zhì)。

“雖然一個(gè)積極的信號(hào)會(huì)受到歡迎，但大自然并不那么善良！” 倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家、LUX 的合作者 Cham Ghag 在一份聲明中說?！氨M管如此，一個(gè)無效的結(jié)果很重要，因?yàn)樗ㄟ^約束模型來改變?cè)擃I(lǐng)域的格局，以了解暗物質(zhì)可能超越以前存在的任何東西?！?/span>

IceCube中微子天文臺(tái)是一個(gè)埋在南極冰凍表面下的實(shí)驗(yàn)，正在尋找假設(shè)的無菌中微子。無菌中微子僅通過重力與常規(guī)物質(zhì)相互作用，使其成為暗物質(zhì)的有力候選者。

旨在探測(cè)難以捉摸的暗物質(zhì)粒子的實(shí)驗(yàn)也在瑞士歐洲核研究組織(CERN) 的強(qiáng)大粒子對(duì)撞機(jī)中進(jìn)行。

幾個(gè)繞地球運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡正在尋找暗物質(zhì)的影響。歐洲航天局的普朗克航天器于 2013 年退役，在拉格朗日點(diǎn)2（繞太陽(yáng)軌道上的一個(gè)點(diǎn)，航天器相對(duì)于地球保持穩(wěn)定位置）工作了四年，繪制了宇宙微波背景的分布圖，宇宙大爆炸的遺物。這種微波背景分布的不規(guī)則性揭示了暗物質(zhì)分布的線索。

2014 年，美國(guó)宇航局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡在伽馬射線光下繪制了我們銀河系中心的地圖，揭示了從其核心延伸出的過量伽馬射線輻射。

“我們發(fā)現(xiàn)的信號(hào)無法用目前提出的替代方案來解釋，并且與非常簡(jiǎn)單的暗物質(zhì)模型的預(yù)測(cè)非常一致，”主要作者、伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家 Dan Hooper 告訴 Space.com。

研究人員說，過量可以通過質(zhì)量在 31 到 400 億電子伏特之間的暗物質(zhì)粒子的湮滅來解釋。結(jié)果本身不足以被認(rèn)為是暗物質(zhì)的確鑿證據(jù)。需要來自其他觀測(cè)項(xiàng)目或直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)的額外數(shù)據(jù)來驗(yàn)證解釋。

經(jīng)過 30 年的發(fā)展，于 2021 年 12 月 25 日發(fā)射的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)也將有助于尋找難以捉摸的物質(zhì)。世紀(jì)望遠(yuǎn)鏡的紅外眼睛可以看到時(shí)間的開始，無法直接看到暗物質(zhì)，但通過觀察宇宙最初階段以來的星系演化，有望提供見解這在以前是不可能的。

人類目前如何探測(cè)暗物質(zhì)？

目前，我們所熟知的物質(zhì)世界被所謂的“粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型”所描述，這個(gè)模型中包括人類至今所發(fā)現(xiàn)的一切基本粒子，總共61種。不過，不是所有粒子都可以對(duì)宇宙中物質(zhì)的組成有貢獻(xiàn)。這是因?yàn)榻^大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模型粒子或它們所構(gòu)成的復(fù)合粒子是不穩(wěn)定的，壽命極短。在宇宙演化的長(zhǎng)久過程中，只有少數(shù)幾種穩(wěn)定的粒子可以保存下來，成為構(gòu)成宇宙間萬(wàn)物的基本構(gòu)件，它們分別是：電子、光子、中微子、質(zhì)子以及中子（注：中子需與質(zhì)子組成原子核才能穩(wěn)定存在）。除中微子外，剩下的四種粒子都參與電磁相互作用，原則上都可以通過電磁信號(hào)被我們觀測(cè)到，因此它們被稱為可見物質(zhì)。

與可見物質(zhì)相對(duì)的就是暗物質(zhì)，給出一個(gè)通常的定義就是：不參與電磁相互作用的物質(zhì)。前面所提到的中微子就是一種暗物質(zhì)，（由恒星坍縮而成的）黑洞也是一種暗物質(zhì)。但是，這兩種我們熟知的暗物質(zhì)在宇宙中的占比可能只有不到1%，遠(yuǎn)比我們根據(jù)天文觀測(cè)數(shù)據(jù)所反推出的暗物質(zhì)總量要少得多。因此，宇宙中一定還有大量的未知種類的暗物質(zhì)沒有被我們發(fā)現(xiàn)。接下來我分三個(gè)部分來介紹一下當(dāng)前我們對(duì)暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

一、暗物質(zhì)的觀測(cè)歷史

故事要從上世紀(jì)二十年代開始說起。這一時(shí)期星系天文學(xué)剛剛興起，人們開始認(rèn)識(shí)到我們所在的銀河系并不是宇宙的全部，在銀河系之外還有眾多其他的星系。一個(gè)星系通常包含幾億到幾萬(wàn)億顆恒星，然而我們誰(shuí)都沒有見過數(shù)億恒星躍然于夜空中的壯闊場(chǎng)面，這是因?yàn)榻^大多數(shù)恒星離我們非常遙遠(yuǎn)，它們發(fā)出的光傳播至地球時(shí)已非常暗淡。實(shí)際上，夜空中肉眼可分辨的恒星最多只有六千顆，它們都在銀河系內(nèi)。對(duì)于銀河系外的其他星系，它們整體看上去只是一片云狀的亮斑，只有借助大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡才能分辨出其中的一小部分恒星。

1.1 星系團(tuán)的質(zhì)量

正如恒星會(huì)在引力的作用下聚集形成星系，星系之間也會(huì)在由于引力而結(jié)團(tuán)形成更大的星系團(tuán)結(jié)構(gòu)。通過觀察星系團(tuán)中的各個(gè)星系的亮度和運(yùn)動(dòng)情況，人們可以推算出整個(gè)星系團(tuán)的質(zhì)量，這里主要有兩種方法：

（1）根據(jù)星系團(tuán)中星系的數(shù)量和整體發(fā)光情況去反推星系團(tuán)的質(zhì)量，這被稱為“光度質(zhì)量”。

（2）測(cè)量星系團(tuán)中大量星系的運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)速度的離散程度，可以通過引力理論去計(jì)算星系團(tuán)的質(zhì)量，由這種方法得到的質(zhì)量被稱為“動(dòng)力學(xué)質(zhì)量”。

如果星系團(tuán)中的大多數(shù)物質(zhì)是發(fā)光的，那么這兩種質(zhì)量應(yīng)當(dāng)不相上下。然而在三十年代，天文學(xué)家Zwicky和Smith卻發(fā)現(xiàn)了一件不可思議的事：某些星系團(tuán)的光度質(zhì)量實(shí)際上遠(yuǎn)小于其動(dòng)力學(xué)質(zhì)量。這反映出了一個(gè)難以置信的事實(shí)：宇宙中發(fā)光物質(zhì)或者說可見物質(zhì)的總量可能要遠(yuǎn)少于不發(fā)光的物質(zhì)。這些不發(fā)光的物質(zhì)不參與電磁相互作用，沒有任何電磁信號(hào)，人們只能通過其龐大的引力效應(yīng)去感受它們。這就是暗物質(zhì)最初的觀測(cè)證據(jù)。不過，由于當(dāng)時(shí)人們對(duì)物質(zhì)的微觀模型了解甚少，且對(duì)星系團(tuán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在爭(zhēng)議，所以沒有暗物質(zhì)給予足夠的重視。

圖1 一個(gè)典型的星系團(tuán)。其光度質(zhì)量遠(yuǎn)小于動(dòng)力學(xué)質(zhì)量暗示著存在大量不發(fā)光的暗物質(zhì)。

1.2 星系旋轉(zhuǎn)曲線

上世紀(jì)七十年代，一項(xiàng)天文觀測(cè)結(jié)果引發(fā)了暗物質(zhì)的研究熱潮，這就是著名的“星系旋轉(zhuǎn)曲線”。如下圖所示，星系旋轉(zhuǎn)曲線是指，距離星系一定距離處的星體繞星系中心旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)曲線。如果星系的引力僅由可見物質(zhì)提供，那么可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)曲線應(yīng)該像圖中紅線那樣，距離星系中心越遠(yuǎn)的星體旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該越慢。然而，天文學(xué)家Rubin和Ford在對(duì)仙女星系進(jìn)行觀測(cè)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)：實(shí)際的旋轉(zhuǎn)曲線是像圖中白線那樣的，在超出一定距離后，離星系中心越遠(yuǎn)的星體旋轉(zhuǎn)速度幾乎保持不變。

這意味著什么呢？我們都知道，旋轉(zhuǎn)半徑相同時(shí)轉(zhuǎn)速越快離心力越大，所以，如果星系的引力僅由可見物質(zhì)提供，那么外圍的那些高速運(yùn)動(dòng)的星體將會(huì)被甩出星系。顯然，這種事情并沒有發(fā)生。所以那些星體一定在被某些看不到的東西所吸引，因而被束縛在了星系中。這就是暗物質(zhì)的又一個(gè)重要觀測(cè)證據(jù)。

圖2 星系旋轉(zhuǎn)曲線。實(shí)際測(cè)量到的曲線與僅靠可見物質(zhì)所能計(jì)算出的曲線非常不同，這意味存在大量不可見的暗物質(zhì)。

1.3 引力透鏡效應(yīng)

在哈勃望遠(yuǎn)鏡升天之后，人們又獲得了證明暗物質(zhì)存在的新證據(jù)。新的觀測(cè)結(jié)果來自于引力透鏡效應(yīng)，這是被愛因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種天文現(xiàn)象。在廣義相對(duì)論中，時(shí)空會(huì)被大質(zhì)量天體所彎曲，光線在經(jīng)過這些天體周圍時(shí)路徑會(huì)發(fā)生偏折，就像經(jīng)過了一個(gè)透鏡一樣。由于星系團(tuán)的質(zhì)量非常大，所以它們的引力透鏡效應(yīng)足夠強(qiáng)烈以至于可以被哈勃望遠(yuǎn)鏡觀察到。根據(jù)引力透鏡效應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，人們可以反推出星系團(tuán)的質(zhì)量分布，從而確定其中暗物質(zhì)的分布。

下圖是2006年對(duì)子彈星系團(tuán)的觀測(cè)結(jié)果，圖中粉紅色部分是由X射線信號(hào)反映出的可見物質(zhì)的分布，藍(lán)色部分則是由引力透鏡效應(yīng)反推出的總的質(zhì)量分布，可以看到二者是不重合的。這說明可見物質(zhì)并不能主導(dǎo)星系團(tuán)的質(zhì)量，它們只占星系團(tuán)總物質(zhì)的一小部分，星系團(tuán)的大部分質(zhì)量是由不可見的暗物質(zhì)提供的。

圖3 子彈星系團(tuán)中可見物質(zhì)分布與總質(zhì)量分布不重合，意味著存在大量不可見的暗物質(zhì)為星系團(tuán)提供了質(zhì)量。

1.4 宇宙微波背景輻射

進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著WMAP、Planck衛(wèi)星的升天，觀測(cè)宇宙學(xué)進(jìn)入了“精確時(shí)代”。人們可以根據(jù)宇宙微波背景輻射（CMB）的各向異性譜去確認(rèn)宇宙中各種物質(zhì)組分的含量。先說一下啥是CMB. 通俗地說，CMB就是從宇宙大爆炸時(shí)期遺留下來的光。138億年前，宇宙從一場(chǎng)大爆炸中誕生，產(chǎn)生的光充滿了整個(gè)宇宙。這些光經(jīng)過上百億年的演化遺留至今，其波長(zhǎng)隨宇宙膨脹被拉長(zhǎng)至微波波段，最終形成了今天氤氳在整個(gè)宇宙中的微波背景輻射。

把探測(cè)衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)天空的各個(gè)方向，就可以接收到這些背景輻射，然后像畫世界地圖一樣畫出背景輻射在整個(gè)天空或者說天球上的分布，如下圖4所示?？梢钥吹紺MB不是完全均勻分布在宇宙中的，而是有的地方溫度/密度高一些，有的地方溫度/密度低一些。這些漲落相對(duì)背景來說不到萬(wàn)分之一，但它們卻包含著有關(guān)整個(gè)宇宙物理性質(zhì)的重要信息！運(yùn)用數(shù)學(xué)手段可以把CMB在天球上的分布按照球諧函數(shù)展開，得到一個(gè)“各向異性譜”，如下圖5所示。在理論上，調(diào)整宇宙中各物質(zhì)組分的比例，會(huì)得到形狀不一樣的各向異性譜。所以，根據(jù)我們測(cè)量到的各向異性譜的形狀可以反推出宇宙中各種物質(zhì)組分的比例。擬合結(jié)果是：可見物質(zhì)占4.9%，暗物質(zhì)占26.2%，暗能量占68.9%.

圖4 宇宙微波背景輻射（CMB）在天空各個(gè)方向的分布。圖中暖色為輻射密度高的區(qū)域，冷色為輻射密度低的區(qū)域。

圖5 CMB的各向異性譜，不同的物質(zhì)比例意味著不同的譜形，因此可以由觀測(cè)到的譜形反推出宇宙中各物質(zhì)組分的比例。

以上就是暗物質(zhì)的一些重要觀測(cè)證據(jù)。從測(cè)量結(jié)果來看，暗物質(zhì)在宇宙中的占比是可見物質(zhì)的5倍多，任何已知的物質(zhì)種類都無法達(dá)到如此之多的總量。因此，暗物質(zhì)的主要組成一定是某些未知種類的物質(zhì)。

二、暗物質(zhì)的候選者

在介紹暗物質(zhì)的可能組成之前，先來總結(jié)一下暗物質(zhì)應(yīng)有的性質(zhì)：

不參與電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，否則會(huì)有電磁信號(hào)或與原子核強(qiáng)烈作用。

必須是穩(wěn)定的，因?yàn)橐?jīng)過138億年的演化遺留至今。

必須在早期宇宙中產(chǎn)生，因?yàn)樵贑MB中有暗物質(zhì)的信號(hào)。

暗物質(zhì)在星系結(jié)構(gòu)開始形成之時(shí)是非相對(duì)論性運(yùn)動(dòng)的，即動(dòng)能遠(yuǎn)小于其質(zhì)量對(duì)應(yīng)的靜能。這樣才能讓宇宙形成今天這樣的網(wǎng)狀大尺度結(jié)構(gòu)。

基于這些性質(zhì)，物理學(xué)家們構(gòu)建出了各種各樣的暗物質(zhì)理論模型，主要是各種新的基本粒子模型，比較有名的是以下幾類：①弱作用大質(zhì)量粒子（WIMP）、②軸子、③惰性中微子、④超大質(zhì)量粒子、⑤超輕矢量粒子。接下來分別介紹一下。

2.1 弱作用大質(zhì)量粒子（WIMP）

這是一類基本粒子模型的統(tǒng)稱，指的是質(zhì)量在GeV~TeV數(shù)量級(jí)（1~1000倍質(zhì)子質(zhì)量），相互作用強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)模型的弱相互作用差不多的粒子。這類粒子如果存在的話，它們會(huì)在宇宙大爆炸之初大量產(chǎn)生。然后在宇宙的溫度降低至WIMP粒子的質(zhì)量能標(biāo)之后，它們會(huì)快速地相互湮滅，最終剩余一部分遺留至今成為暗物質(zhì)。

WIMP型暗物質(zhì)可以從許多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的理論中得到，它們的相互作用截面適中，且質(zhì)量在TeV數(shù)量級(jí)以下也容易被下一代的粒子對(duì)撞機(jī)檢驗(yàn)，因此得到了廣泛的關(guān)注。最熱門的WIMP型暗物質(zhì)候選者是最輕的超對(duì)稱粒子。超對(duì)稱是人們?yōu)榱私鉀Q標(biāo)準(zhǔn)模型的規(guī)范等級(jí)問題、大統(tǒng)一問題而引入的一種玻色子與費(fèi)米子之間的對(duì)稱性，認(rèn)為每一個(gè)玻色子都對(duì)應(yīng)一個(gè)費(fèi)米子作為超對(duì)稱伙伴，反之亦然。因此超對(duì)稱理論中會(huì)引入許多超對(duì)稱粒子，其中最輕的超對(duì)稱粒子不會(huì)衰變到其他超對(duì)稱粒子，所以足夠穩(wěn)定可以充當(dāng)暗物質(zhì)的角色。

2.2 軸子

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型存在一個(gè)疑難問題，那就是——為什么強(qiáng)相互作用的CP宇稱是守恒的？在理論上完全可以存在強(qiáng)相互作用的CP對(duì)稱性破壞，但實(shí)際上卻沒有發(fā)現(xiàn)這種事情。為了解決這一問題，物理學(xué)家們構(gòu)建了一種新的粒子物理模型——Peccei-Quinn模型，里面引入了一種叫做軸子的粒子。軸子的質(zhì)量非常小，遠(yuǎn)不到eV的數(shù)量級(jí)，但它可以從極早期宇宙的QCD相變中大量產(chǎn)生，從而充滿全宇宙，成為暗物質(zhì)候選者。

2.3 惰性中微子

標(biāo)準(zhǔn)模型還有一個(gè)疑難問題——為什么中微子的質(zhì)量那么??？為了解決這一問題，物理學(xué)家們提出了一種“蹺蹺板機(jī)制”。也就是，引入某種右手中微子，使它的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型的左手中微子相關(guān)聯(lián)。當(dāng)右手中微子的質(zhì)量足夠大時(shí)，左手中微子的質(zhì)量就會(huì)被壓得很低。這種新引入的右手中微子與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子沒有直接相互作用，所以被稱為惰性中微子。它質(zhì)量大約在keV數(shù)量級(jí)，足夠穩(wěn)定，與WIMP的產(chǎn)生方式類似，也可以當(dāng)作是一種暗物質(zhì)的候選者。

2.4 超大質(zhì)量粒子

超大質(zhì)量粒子又稱為哥斯拉粒子，指的是質(zhì)量大于暴脹能標(biāo)（約 ? GeV）的一類粒子。這種粒子如果存在，它會(huì)有兩種主要的產(chǎn)生途徑。第一種是在宇宙暴脹時(shí)期通過真空量子漲落產(chǎn)生，這是一種典型的引力量子效應(yīng)，暗物質(zhì)是從真空中“憑空”涌現(xiàn)出來的。第二種通過其他熱粒子湮滅的“freeze in”機(jī)制產(chǎn)生，大體意思就是說宇宙重加熱之后有一堆溫度極高的熱粒子，這些熱粒子可以通過與暗物質(zhì)粒子直接耦合或者通過引力子作為傳播子，來把能量傳遞給暗物質(zhì)場(chǎng)，激發(fā)出暗物質(zhì)粒子。我最近的一篇論文針對(duì)Weyl規(guī)范玻色子這種暗物質(zhì)模型，研究了以上的兩種產(chǎn)生機(jī)制，感興趣的讀者可以看一看（arXiv: 2203.15452）。

2.5 超輕矢量粒子

超輕矢量粒子是指質(zhì)量小于eV數(shù)量級(jí)的自旋1的暗物質(zhì)粒子模型。它的產(chǎn)生途徑也是在宇宙暴脹時(shí)期通過真空量子漲落產(chǎn)生，但與超大質(zhì)量粒子不同的一點(diǎn)是，超輕矢量粒子在宇宙暴脹時(shí)期會(huì)經(jīng)歷一種 ? 的“快子”狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致它的產(chǎn)生率激增，從而使得質(zhì)量如此之小的它也可以達(dá)到當(dāng)前所觀測(cè)到的暗物質(zhì)總量。

2.6 原初黑洞

以上說的都是粒子型暗物質(zhì)候選者，其實(shí)還有一種天體型暗物質(zhì)候選者，它就是在極早期宇宙中產(chǎn)生的原初黑洞。這種黑洞與恒星坍縮成的黑洞非常不同，它不是由天體物理過程演化形成的，而是從極早期宇宙的密度漲落直接形成的。在宇宙誕生的極早期，宇宙暴脹為宇宙帶來了原初的密度擾動(dòng)，如果某些時(shí)空區(qū)域的密度擾動(dòng)幅度足夠大，那么隨著視界擴(kuò)大它就會(huì)包含足夠多的物質(zhì)，直接把這片時(shí)空區(qū)域坍縮成黑洞，這就是所謂的原初黑洞。

由于霍金輻射效應(yīng)，原初黑洞從誕生后會(huì)慢慢蒸發(fā)損失質(zhì)量，因此即使原初黑洞在極早期宇宙中產(chǎn)生，它也不一定能存活到今天。不過，黑洞質(zhì)量越大蒸發(fā)速度越慢，由計(jì)算可知質(zhì)量大于 ? 噸的原初黑洞經(jīng)過了138億年的演化依然可以存活到今天，從而充當(dāng)暗物質(zhì)。引力波、引力透鏡等實(shí)驗(yàn)可以對(duì)能夠充當(dāng)全部暗物質(zhì)的原初黑洞的質(zhì)量提供較強(qiáng)的限制。目前基本可以確定如果原初黑洞大量存在的話，它的平均質(zhì)量應(yīng)在太陽(yáng)質(zhì)量以下，并擁有一個(gè)較寬的質(zhì)量分布。未來的空間引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)，如LISA或我國(guó)的太極計(jì)劃，可以對(duì)原初黑洞的參數(shù)空間提供更強(qiáng)的限制，進(jìn)一步檢驗(yàn)這種暗物質(zhì)模型的可行性。

終極、暗物質(zhì)的探測(cè)

以上說了那么多種暗物質(zhì)模型，究竟哪種才是正確的呢？這需要由實(shí)驗(yàn)來決定。目前，人們針對(duì)不同的暗物質(zhì)模型設(shè)計(jì)了許許多多不同的實(shí)驗(yàn)來試圖直接捕捉暗物質(zhì)的信號(hào)。按照實(shí)驗(yàn)類型可以分為：①深地實(shí)驗(yàn)、②空間實(shí)驗(yàn)、③對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)等等。

3.1 深地實(shí)驗(yàn)

深地實(shí)驗(yàn)是指把探測(cè)器放置于極深的地下或山洞中，從而屏蔽掉高能宇宙射線對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，使探測(cè)器能夠?qū)Ｗ⒂趯ふ野滴镔|(zhì)的信號(hào)。目前比較有名的實(shí)驗(yàn)有：美國(guó)的SuperCDMS實(shí)驗(yàn)，歐洲的EDELWEISS實(shí)驗(yàn)、XENON實(shí)驗(yàn)，以及中國(guó)的CDEX實(shí)驗(yàn)、PandaX實(shí)驗(yàn)等等。

這些實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)WIMP型暗物質(zhì)候選者。以PandaX實(shí)驗(yàn)為例，它的主要實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)裝滿了4噸高純度液氙的容器，在容器的頂部與底部布滿了光電探測(cè)器。如果有暗物質(zhì)粒子從外部射入這個(gè)探測(cè)器，它就有一定概率與氙原子的原子核發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生光電信號(hào)，被探測(cè)器捕捉到。然而，絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)至今都沒有發(fā)現(xiàn)超出本底的信號(hào)，也就是說，從統(tǒng)計(jì)的角度沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的顯著痕跡。不過有一個(gè)例外，前年的XENON1T實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了顯著超出背景的信號(hào)，置信度為3.5σ. 有些研究人員認(rèn)為這個(gè)信號(hào)是暗物質(zhì)造成的，但也有一些人認(rèn)為信號(hào)可能來自背景的污染。

圖6 中國(guó)的PandaX暗物質(zhì)探測(cè)器

3.2 空間實(shí)驗(yàn)

空間實(shí)驗(yàn)是指把探測(cè)器當(dāng)作衛(wèi)星發(fā)射上天或者安裝在空間站上，以此來在外太空探測(cè)暗物質(zhì)。比較著名的實(shí)驗(yàn)包括：國(guó)際空間站的AMS實(shí)驗(yàn)、美國(guó)的Fermi衛(wèi)星、中國(guó)的DAMPE衛(wèi)星等等?？臻g實(shí)驗(yàn)通常是間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，它不像深地實(shí)驗(yàn)一樣直接尋找暗物質(zhì)的信號(hào)，而是通過探測(cè)高能宇宙射線，統(tǒng)計(jì)宇宙線的能量譜是否有超出或反常，然后再判斷反常是否由暗物質(zhì)湮滅造成。目前的實(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一些反常的信號(hào)，但暫時(shí)無法判斷這些信號(hào)是否和暗物質(zhì)有關(guān)。

3.3 對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)

對(duì)撞機(jī)是研究粒子物理的最直接的工具。如果暗物質(zhì)的質(zhì)量在對(duì)撞機(jī)的能量范圍內(nèi)，且與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的相互作用足夠強(qiáng)，那么在對(duì)撞機(jī)中就一定可以產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。然而，目前的實(shí)驗(yàn)并沒有發(fā)現(xiàn)顯著的新粒子信號(hào)。這說明要么暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量太大，超出了對(duì)撞機(jī)的最高有效能量；要么質(zhì)量太小，淹沒在了標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的背景中；要么它與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的相互作用太弱，以至于產(chǎn)生的數(shù)量太少，沒有明顯的統(tǒng)計(jì)信號(hào)。

3.4 其他實(shí)驗(yàn)

除了以上類型的實(shí)驗(yàn)之外，還有許多其他的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。比如①用于探測(cè)軸子的ADMX實(shí)驗(yàn)；②通過探測(cè)中微子來判斷暗物質(zhì)的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)、冰立方實(shí)驗(yàn)；③用于尋找暗光子的FUNK實(shí)驗(yàn)等等。這些實(shí)驗(yàn)至今同樣沒有發(fā)現(xiàn)顯著的暗物質(zhì)信號(hào)。

在回答的最后，我想說，雖然人們至今還沒有探測(cè)到任何暗物質(zhì)，未能確定暗物質(zhì)的物理本質(zhì)，但我們依然要對(duì)未來的探索充滿信心?？茖W(xué)研究的道路總是曲折的，宇宙對(duì)于我們小小的人類來說總是迷霧重重的。但當(dāng)我們沖破這層層迷霧之后，映入眼簾的就會(huì)是另一番別致的風(fēng)景。到那時(shí)我們就會(huì)感慨，我們現(xiàn)在所做的一切都是值得的。

??????????

探索暗物質(zhì)到底有什么意義？

◆一、沒任何意義，純粹的是浪費(fèi)資源與時(shí)間！

因?yàn)?，所謂的暗物質(zhì)應(yīng)該只是幾乎無處不在的、溫度較低的、不怎么能產(chǎn)生可見光的正常物質(zhì)。就像太陽(yáng)系除太陽(yáng)以外，其余的全部都是暗物質(zhì)一樣！

在提出暗物質(zhì)的概念時(shí)，計(jì)算恒星繞星系中心的離心力所使用的運(yùn)動(dòng)速度是用錯(cuò)誤的哈勃定律/哈勃常數(shù)計(jì)算出來的。而計(jì)算向心力時(shí)用的星系總質(zhì)量又是可見質(zhì)量代替的！這兩個(gè)錯(cuò)誤的做法促進(jìn)了無中生有的所謂的暗物質(zhì)的誕生！

自引入場(chǎng)概念開始，物理學(xué)就逐漸誤入歧途了！相對(duì)論、量子力學(xué)和宇宙大爆炸論都是建立在對(duì)光的本質(zhì)、光與介質(zhì)相互作用規(guī)律及決定光速主因認(rèn)識(shí)不正確的基礎(chǔ)上的，是完全不符合客觀事實(shí)的！

實(shí)際上，近代物理學(xué)最開始出錯(cuò)是從引進(jìn)場(chǎng)（萬(wàn)有引力場(chǎng)丶電場(chǎng)和磁場(chǎng)）概念并將其視為可脫離場(chǎng)源（質(zhì)量與電荷）而獨(dú)立存在的客觀實(shí)體開始的！由于有質(zhì)量和電荷的物質(zhì)在時(shí)空上的分布是非連續(xù)型離散狀態(tài)，而場(chǎng)只是力（萬(wàn)有引力、庫(kù)侖力和磁力）的歸一化。沒有場(chǎng)源的空間位置上是不可能存在場(chǎng)的。由此決定了場(chǎng)不可能是連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)！這直接導(dǎo)致了與場(chǎng)論有關(guān)的物理學(xué)術(shù)語(yǔ)、概念、公式、定理和定律等都是不符合客觀事實(shí)的！

近百多年來，物理學(xué)界奇談怪論層出不窮的根源與物理問題數(shù)學(xué)化脫不了干系！

將場(chǎng)（萬(wàn)有引力場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)）視為可脫離場(chǎng)源（有質(zhì)量和有電荷的物質(zhì)）而獨(dú)立地、連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)般地存在于所有空間位置上的客觀實(shí)體，并依此發(fā)展出來的場(chǎng)論就是近現(xiàn)代物理學(xué)脫實(shí)入虛、離客觀事實(shí)越來越遠(yuǎn)的罪魁禍?zhǔn)祝?/span>

所謂的萬(wàn)有引力場(chǎng)只是有質(zhì)量的物質(zhì)間存在的萬(wàn)有引力的歸一化！

所謂的電場(chǎng)只是有電荷的物質(zhì)間存在的庫(kù)侖力的歸一化！

所謂的磁場(chǎng)只是動(dòng)電荷物質(zhì)間存在的磁力的歸一化！

在沒有質(zhì)量存在的空間位置上并不存在萬(wàn)有引力場(chǎng)！

在沒有電荷存在的空間位置上并不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)！

有質(zhì)量和有電荷的物質(zhì)在客觀世界中的真實(shí)分布是離散和不連續(xù)的，這就決定了所謂的萬(wàn)有引力場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都不可能是連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)！所以由場(chǎng)論發(fā)展出來的高斯定理、麥克斯韋方程組、電磁感應(yīng)定律等電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)中的高大上公式和方程都不可能是符合客觀事實(shí)的真理！

可以肯定的是：光既不是電磁波也不是光子，更沒有波粒二象性！

實(shí)際上，不僅不存在由變化的電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)相互激勵(lì)而形成的電磁波，就連電場(chǎng)和磁場(chǎng)也不是能脫離電荷而獨(dú)立存在的客觀實(shí)體！沒有電荷存在的空間位置上是不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的。由此決定了場(chǎng)論的所有推論與結(jié)論都是不符合客觀事實(shí)的！

請(qǐng)愛好物理學(xué)的小編們、朋友們和國(guó)內(nèi)的科學(xué)家們多質(zhì)疑少宣傳不吹捧近代物理學(xué)中的相對(duì)論、量子力學(xué)和宇宙大爆炸論吧！因?yàn)?，根?jù)本人對(duì)光的本質(zhì)、光與介質(zhì)相互作用規(guī)律及決定光速主因的長(zhǎng)期研究和取得的相關(guān)成果，光既不是電磁波也不是光子，更沒有波粒二象性。光只是不能脫離電荷而獨(dú)立存在的、電荷與電荷之間存在的庫(kù)侖力和磁力的表現(xiàn)形式之一！而相對(duì)論、量子力學(xué)和宇宙大爆炸論都是因?yàn)閷?duì)光的基本屬性認(rèn)識(shí)不正確情形下的產(chǎn)物，是完全違背了客觀事實(shí)的！讓這類歪理邪說橫行霸道上百年是整個(gè)人類的奇恥大辱！

建立在光速不變假設(shè)基礎(chǔ)上的相對(duì)論，建立在光子假設(shè)基礎(chǔ)上的量子力學(xué)，建立在星光紅移量中與距離成正比的部分為多普勒紅移假設(shè)基礎(chǔ)上的哈勃定律及以其為基礎(chǔ)的宇宙大爆炸論都是不符合客觀事實(shí)的！

愛因斯坦用具有與其頻率成正比動(dòng)量和動(dòng)能的光子假設(shè)解釋光電效應(yīng)并不成功，更談不上完美！至少無法解釋下面三大問題：

一是為何高于一定頻率的光也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)？違背粒子間相互作用規(guī)律。如：X射線和r射線。

二是為何有部分光電子的出射方向與照射光的夾角大于90度，違背了動(dòng)量守恒定律？

三是為何紅限（高于紅限的光才能產(chǎn)生光電效應(yīng)）不會(huì)隨照射光的強(qiáng)度提高而降低？也就是不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的光子同時(shí)或先后作用于同一電子而使其成為光電子（脫離金屬表面成為自由電子）？與粒子的相互作用規(guī)律相背！

只有用入射光為同頻率的庫(kù)侖力和磁力使金屬原子最外層電子中部分相位和繞核運(yùn)動(dòng)頻率合適的電子被同步加速而達(dá)到逃逸速度后成為光電子來解釋光電效應(yīng)才是完美無缺的！

相對(duì)論、量子力學(xué)和宇宙大爆炸論都是不符合客觀事實(shí)的！理由有三：

一是：因?yàn)楣馑俨粌H不會(huì)不變，還時(shí)時(shí)處處在變！不信就用本人下文中的方法直接測(cè)量真空中不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)光源產(chǎn)生的光之速度并檢驗(yàn)其與產(chǎn)生它的光源運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系就會(huì)發(fā)現(xiàn)：真空中的光速與產(chǎn)生它的光源運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接相關(guān)！這也是光行差常數(shù)和斐索流水實(shí)驗(yàn)結(jié)果所早就證明了的！

二是：因?yàn)楣饧炔皇请姶挪ㄒ膊皇枪庾?，更沒有波粒二象性和動(dòng)量與能量！嚴(yán)格來說：光只是電荷之間存在的庫(kù)侖力和磁力，是不能脫離電荷而獨(dú)立存在的，它怎么可能具有動(dòng)量和動(dòng)能呢！更不可能出現(xiàn)變化的電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互激勵(lì)而形成所謂的電磁波！這兩種力只存在于電荷之間，怎能相互作用而形成新的力呢？！

三是：因?yàn)楣馀c介質(zhì)作用規(guī)律是：入射光會(huì)使被照射到的原子極化（在同一外力庫(kù)侖力和磁力作用下，原子中的電子和原子核會(huì)反向改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變?cè)瓉淼碾娭行誀顟B(tài)）電偶極矩隨入射光頻率和振幅變化的電偶極子并產(chǎn)生相的次生光！由于星際空間存在密度低但數(shù)量巨大的氣態(tài)物質(zhì)，地球人看到的是這些星際物質(zhì)產(chǎn)生的次生折射光，其頻率因再生時(shí)會(huì)發(fā)生些許降低，從而導(dǎo)致星光隨距離降低的現(xiàn)象。這才是星光紅移量與距離成正比的真相！

◆二、暗物質(zhì)(包括暗能量)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，它代表了宇宙中90%以上的物質(zhì)含量，而我們可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的10%不到(約5％左右)。暗物質(zhì)無法直接觀測(cè)得到，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到?？茖W(xué)家曾對(duì)暗物質(zhì)的特性提出了多種假設(shè)，但直到目前還沒有得到充分的證明。 　　幾十年前，暗物質(zhì)(dark matter)剛被提出來時(shí)僅僅是理論的產(chǎn)物，但是現(xiàn)在我們知道暗物質(zhì)已經(jīng)成為了宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時(shí)更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個(gè)謎，但是如果假設(shè)它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那么由此形成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與觀測(cè)相一致。不過，最近對(duì)星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設(shè)和觀測(cè)結(jié)果之間存在著差異，這同時(shí)為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地。通過對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)密度、分布、演化以及其環(huán)境的研究可以區(qū)分這些潛在的暗物質(zhì)模型，為暗物質(zhì)本性的研究帶來新的曙光。 　　大約65年前，第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。當(dāng)時(shí)，弗里茲·扎維奇發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測(cè)分析證實(shí)了這一點(diǎn)。盡管對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)以被廣為接受了。 　　在引入宇宙膨脹理論之后，許多宇宙學(xué)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(shí)，宇宙學(xué)家們也傾向于一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)上，觀測(cè)從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質(zhì)密度的估計(jì)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(dá)到臨界值，而且這一觀測(cè)和理論模型之間的不一致也隨著時(shí)間變得越來越尖銳。 　　當(dāng)意識(shí)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(shí)，暗能量出現(xiàn)了。暗能量和暗物質(zhì)的唯一共同點(diǎn)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(tuán)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(jì)星系的能量時(shí)會(huì)遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測(cè)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(gè)獨(dú)立的天文學(xué)家小組通過對(duì)超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量占主導(dǎo)的宇宙模型成為了一個(gè)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(cè)器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的觀測(cè)也獨(dú)立的證實(shí)了暗能量的存在，并且使它成為了標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分。 　　暗能量同時(shí)也改變了我們對(duì)暗物質(zhì)在宇宙中所起作用的認(rèn)識(shí)。按照愛因斯坦的廣義相對(duì)論，在一個(gè)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(dǎo)的時(shí)期過渡到了暗能量占主導(dǎo)的時(shí)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(dǎo)地位，但是這已成為了過去?，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(shí)宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會(huì)隨時(shí)間衰減或者改變狀態(tài)，否則這種加速膨脹態(tài)勢(shì)將持續(xù)下去。 　　不過，我們忽略了極為重要的一點(diǎn)，那就是正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒有暗物質(zhì)就不會(huì)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(tuán)、巨洞以及星系長(zhǎng)城。而在大尺度上能過促使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會(huì)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(huì)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(shí)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?yàn)槟菚r(shí)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(tuán)的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì)，進(jìn)而形成了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此這需要一個(gè)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(yùn)動(dòng)的非相對(duì)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(duì)于先前提到的小擾動(dòng)（漲落），為了預(yù)言其在不同波長(zhǎng)上的引力效應(yīng)，小擾動(dòng)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(biāo)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(zhǎng)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(dòng)力學(xué)出發(fā)機(jī)制來形成這樣一個(gè)標(biāo)度無關(guān)的小擾動(dòng)譜（其譜指數(shù)n=1）。WMAP的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言，其觀測(cè)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?，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(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測(cè)器和天文觀測(cè)來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。