暗能量是什么?(暗物质和暗能量是什么)

首先感谢邀请。我们的宇宙诞生于138亿年前的大爆炸。随着科学技术的发展，我们知道了今天的宇宙，通过天文望远镜确定了宇宙的年龄、直径以及宇宙的未来。但是宇宙毕竟是宇宙，以人类的智慧怎么可能会解开宇宙的秘密呢，例如今天我们所提出的暗能量。

当科学家使用望远镜观测星空时，发现有些星系发红有些星系发蓝，这是多普勒频移现象，本身多普勒频移是用于声音中的，但是光也具有这种特性，科学家通过这种现象知道了宇宙正在膨胀，但是宇宙为何膨胀，以及如何膨胀则是一个未解之谜。

既然宇宙在加速的膨胀，那么肯定得有一种力量来支持它的膨胀。如果我们回到138亿年前，你会发现如果宇宙一直膨胀的话，肯定不会出现今天的世界。因为那种力量可以将原子撕裂，所以更不可能出现今天的世界。而之所以出现了今天的世界，原因在于宇宙在某个时间内，膨胀停止了，只有这样物质才能够出现。

那么我们知道物质都拥有着自己的质量和重量，这就如同流动的小河流一样，如果我们什么都不做，河流会往前流动，但是如果我们搬起一块大石头，你会发现水流受到重力的影响，变慢了。同理宇宙也是如此，宇宙中存在着万亿天体，这些天体的总量加在一起是一个恐怖的数字，但是这些重量并没有阻挡宇宙的膨胀，这代表宇宙的膨胀被一种未知的能量所操控。这就是暗能量。

通过对宇宙的膨胀测量，我们就能得知出宇宙中的物质占比情况，暗能量是将物质分离的能量，而暗物质则是将物质凝聚的能量，而剩下的就是我们所看到的物质了。结果表明，暗能量大于暗物质大于物质，这代表了暗能量一直占据了上风，因此宇宙也在加速的膨胀。通过这些数据我们就能预测宇宙的未来。

暗能量的特性就是这样，我们举个例子：假设我们把两个物体放在一起，你会发现质量大的物体在吸引着质量小的物体，但是如果你在两者之间加入暗能量的话，你会发现这两个物体没有相互吸引，而是在相互排斥。宇宙也是如此，未来星系会彼此相距越来越远，最终直到看不见为止，而宇宙也将会膨胀到一个可怕的程度。这就是神秘的暗能量！

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宇宙学家喜欢把一切都建模为所谓的"完美流体"，什么是完美的流体？它是有密度和压力的物质，没有别的。换句话说，"完美流体"不粘，它没有粘性，没有内部应力，其压力在所有方向都是一样的。简而言之，就宇宙学家而言，物质的密度和压力能完美表现宇宙的特征。

不仅如此，还有一件事：无论我们使用何种测量单位，能量密度和压力都是使用相同的物理单位测量的。压力是按面积划分的力。能量密度是能量除以体积。但能量是力乘以时间长度；体积是面积乘以长度。因此，力除以面积与能量（力乘时间长度）除以体积（= 面积乘以长度）相同。

因此，压力与能量密度的比值只是一个简单数字。它不是以米、英尺、秒、磅等来衡量的，它只是一个所谓的无量纲数，通常用字母w表示。

这就是宇宙学家简单思考问题的地方：他们关心的只是这些， 各种各样的物质都以这个w为特征，即压力与能量密度的比值。例如，没有压力的东西只是所谓的"尘埃"。当然，这里"尘埃"与你知道的不一样。一个恒星星系就是尘埃（或多或少），因为就宇宙学家而言，数十亿颗恒星行为就像尘埃粒子，即作为压力可以忽略不计的介质。

那么，w 的允许值是多少呢？事实证明，任何介于-1 和 +1 之间的值都有效。是的，这意味着负压也是可以接受的。这听起来可能有些奇怪，但负压基本上表现为需要投入做功（能量）才能使其膨胀，而不是像发动机气缸中的热气一样自行膨胀和做功。所以：尘埃几乎包括我们所知道的所有物质，但也包括我们不知道的东西，即所谓的暗物质。

在今天的宇宙中，压力大于0的东西可以忽略，因为这种物质的密度下降非常迅速；因此，即使过去有大量这类东西，它已经被稀释到接近虚无的状态。这样就留下负压的物质，特别是带极端负压的物质，w = -1。这些物质有一个非常奇特的特性：即使宇宙膨胀，它的密度仍然保持不变，因为所有使它膨胀的功（能量），最终都会产生更多的这些物质。

因此，我们遵循的逻辑是这样的：首先，我们注意到，我们宇宙中的空间似乎是欧几里得的：即使是非常大的三角形的角度之和是180度，行话是宇宙是"空间平坦"。这就要求宇宙中所有物质的总密度是所谓的临界密度，但可见物质的含量不到此临界密度的5%。

因此，我们提出了一个简单的问题：还需要多少物质和什么样的物质才能到达临界密度，并且还要匹配宇宙的其他观测参数？事实证明，我们需要大约30%的"尘埃"，剩下的70%必须有极端的负压，w = -1。

缺失物质（30%与我们知道的小于5%之间的差值）称为暗物质，剩余的带负压物质称为暗能量。

我希望这个解释帮组你理解暗能量，这一切都以相当扎实、严谨的数学和物理为后盾；但与此同时，我们对于这些暗物质和暗能量究竟是什么，一丁点线索都没有。

有理论认为暗物质可能是"WIMPs"（弱相互作用的巨粒子），或者别的什么。至于暗能量，它可能只是所谓的宇宙常数的一个伪影；或所谓的标量场的潜在能量；或者可能只是量子真空能量（虽然当我们试图计算它时，我们发现我们偏离了几十个数量级，这相当尴尬）。

有些人认为宇宙学家足够聪明，最终能解决这个问题。其他人（包括我自己）认为，我们需要找到方法，你知道，在我们对它们的本质说清除之前，我们才能真正发现这些暗能量和暗物质。还有一种选择，也许这些暗能量和暗物质根本不存在，它们是某种幻影，因为我们是在用错误的引力理论做数学运算推到出暗能量和暗物质。此外，最近的观测（特别是引力波观测和对超大质量黑洞M87+阴影的直接观测）对可接受的修正引力理论提出了严格限制。

所以现在，"暗物质"和"暗能量"只是用来标记我们无知的词语。但至少我们知道它们的"状态方程"，它们的压力和能量密度之间的比值，这个数字w。

可见的宇宙——包括地球，太阳，其他恒星和星系——由质子、中子和电子捆绑成原子构成。也许20世纪最令人惊讶的发现之一是，这种普通物质或重子物质不到地球质量的5%宇宙。

宇宙的其余部分似乎由一种神秘、不可见的物质——暗物质(25%)和一种排斥重力的力——暗能量(70%)组成。

解开谜团

科学家们还没有直接观察到暗物质。它不与重子物质相互作用，对光和其他形式的电磁辐射完全不可见，使得暗物质无法用现有仪器探测到。但是科学家相信它的存在，因为它似乎对星系和星系团有引力作用。

例如，根据标准物理学，旋转的螺旋星系边缘的恒星应该比星系中心附近的恒星运行得慢得多，因为星系中心是一个可见物质集中的地方。但是观察表明，恒星的轨道速度或多或少是相同的，不管它们在银河系的什么地方。如果假设边界恒星感受到一个看不见的质量的重力效应，这个令人费解的结果是有意义的——暗物质——星系周围的光环。

暗物质也可以解释天文学家在宇宙深处看到的某些视错觉。例如，如果来自更遥远星系的光被前景中巨大的、看不见的暗物质云扭曲和放大——这种现象被称为引力透镜效应——的话，包含奇怪光环和光弧的星系图片就可以得到解释。

科学家对暗物质可能是什么有一些想法。一个主要的假设是暗物质由外来粒子组成，这些粒子不与正常物质或光相互作用，但仍会产生引力。包括欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机在内的几个科学团体目前正在努力产生暗物质粒子，供实验室研究。

其他科学家认为暗物质的影响可以通过从根本上修改我们的引力理论来解释。根据这样的想法，重力有多种形式，大规模的重力控制星系不同于我们习惯的重力。

膨胀的宇宙

暗能量更加神秘，它在20世纪90年代的发现令科学家们震惊不已。以前，物理学家假设引力会随着时间的推移减缓宇宙的膨胀。但是当两个独立的团队试图测量减速率时，他们发现扩张实际上正在加速。一位科学家把这一发现比作把一套钥匙扔向空中，期望它们会掉下来——却看到它们径直飞向天花板。

科学家现在认为宇宙的加速膨胀是由一种排斥力驱动的，这种排斥力是由其他“空”空间中的量子波动产生的。此外，随着宇宙的膨胀，这种力量似乎越来越强大。由于没有更好的名字，科学家称这种神秘的力量为暗能量。

许多科学家还指出，暗能量的已知性质与宇宙常数是一致的，这是阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中加入的数学创可贴，以使他的方程符合静态宇宙的概念。根据爱因斯坦的说法，常数将是一种抵消重力的排斥力，阻止宇宙自行坍塌。爱因斯坦后来在天文观测揭示宇宙正在膨胀时放弃了这个想法，称宇宙常数是他的“最大失误” 。

现在我们看到宇宙正在加速膨胀，加入暗能量作为宇宙常数可以很好地解释时空是如何被拉长的。但是这种解释仍然让科学家们不知道为什么奇怪的力量会存在。

我们对宇宙的认知一直在随着科学的发展变化着，宇宙究竟是什么？

连伟大的爱因斯坦都无法给出一个准确的答案，但是随着研究的深入，科学家通过观察太阳系里的行星，发现了行星都是在围绕着太阳旋转的规律，于是认为太阳就是宇宙的中心，虽然这不是正确答案，但是对于地心说来讲是一个进步，因为地球和其他的行星是在太阳的引力场中，而太阳本身也在银河系的引力场中，一层一层总是还有更大的天体。

我们都知道氢和氦是组成宇宙的最常见物质，它们构成了宇宙中很多的常规物质。但是这部分只占宇宙总质量的大约5%，宇宙的剩余部分都是由不能直接观察到的成分所组成的，暗物质和暗能量加起来占了宇宙总质量的约95%，其中的暗能量就占了68.3%。

那么暗能量到底是什么呢？通俗的理解就是一种能量，所谓的“暗”是因为这种能量与我们熟知的动能热能、引力势能等等都不一样，依靠现有的探测手段是无法感知到的。在宇宙学中，暗能量也是某些人的一种猜想，指充溢空间的、具有负压强的一种能量，怎么来讲暗能量还是一种能量，具体到底是什么谁也不知道。

按照宇宙大爆炸理论，宇宙是由于奇点爆炸而出现的，在1929年，美国天文学家哈勃系统观察到了红移现象，说明星系都在离我们远去，从而得出现在我们的宇宙在加速膨胀。

宇宙的加速膨胀说明了在宇宙的大尺度上，“万有引力”并不是主导的作用力，在1980年曾经提出了一种“负压场”，表明这种场的压强为负，表现为斥力。

由于这种负压场，所以导致了宇宙早期大爆炸之后的剧烈膨胀。由于负压场很好的解释了宇宙暴涨，这种负压场最终被命名为暗能量。

占比26.8%的暗物质和68.3%的暗能量才是宇宙的主流，相比早已因为外围恒星和星系运动速度异常而被确认存在的暗物质，上世纪90年代才因为宇宙加速膨胀而被“假设存在”的暗能量显然更难被发现。

在埃德温.哈勃确定宇宙膨胀之前，从牛顿到爱因斯坦等物理学家都倾向于一个静止宇宙的存在，在1915年发表广义相对论前爱因斯坦更是加入了“宇宙常数”来维持宇宙在大尺度结构上发稳恒态，但随着大洋彼岸美国传来“埃德温.哈勃发现宇宙膨胀”的消息后，爱因斯坦马上就把宇宙常数从理论里删了。

时间流转到上世纪90年代，美国科学家亚当.里斯希望通过“标准烛光”（超新星）来确定宇宙膨胀的“减速度”进而确定宇宙将在何时停止膨胀转为坍缩。

然而随后的观测数据表明宇宙膨胀的减速度竟然是一个负数，这个负号意味着宇宙膨胀速度不但没有下降反而还在上升，而引起“宇宙加速膨胀”的罪魁祸首则被认为是“暗能量”，这便是暗能量的诞生故事。

截止目前暗能量虽然还没有被探测到，但宇宙学家们相信它会在大尺度上抵消掉引力从而让宇宙膨胀速度不断加快，而这种加速的空间膨胀会撕裂大尺度天体结构（比如拉尼亚凯亚超星系团和巨引源）